L’Énergie Solaire Thermique

8/17/2019 L’Énergie Solaire Thermique

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

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 énergéti ues dura!onne"ent solaire# $ette derni%re peut servir & de "ultiples applications co""e lechau''age de l’eau, la cuisson, la cli"atisation, la production de l’électricité, etc# $esdi''érentes applications sont classi'iées en deux catégories le solaire ther"i ue bassete"pérature ( *) et le solaire ther"i ue haute te"pérature (+*)#

ans le do"aine solaire ther"i ue, on utilise toutes les données cli"ati ues vues dansla partie PV#

II. Le domaine du solaire thermique basse température1. Définition

ans le do"aine du solaire ther"i ue basse te"pérature on utilise des capteursther"i ues asse- spéci'i ues ui pi%gent la lu"i%re incidente pour chau''er un 'luidecaloporteur# $e dernier transporte la chaleur vers un réservoir d’eau sanitaire pour lechau''er#

2. Le fluide caloporteura. Définition

.n 'luide caloporteur est un 'luide transporteur de calories# /elon le t!ped’application, on distingue di''érents t!pes 0 les 'luides de ré'rigération utilisés dans lesré'rigérateurs, les 'luides de re'roidisse"ent des "oteurs de voiture par exe"ple, dechau''age co""e le chau''age central, etc#

b. Les caloporteurs

Les caloporteurs sont des 'luides ui peuvent être des ga-, des li uides ou des"étaux li uides# ls sont classés générale"ent en 'onction de leurs puissancesther"i ues extraites # Les "eilleurs caloporteurs ont des valeurs de les plusélevées#

Les ga : L’héliu", l’h!drog%ne et le néon sont les "eilleurs ga-

caloporteurs avec des valeurs de les plus i"portantes par rapport auxautres ga- co""e l’ox!g%ne, le $ 2, l’a-ote, etc# $ertains ga- doivent être


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

utilisés sous 'or"es pressurisées & cause de leur 'orce ou puissance desou''lage i"portante co""e l’héliu"#

Les liquides : n cite l’eau et le tolu%ne o4 l’eau est "eilleure#Les métau! liquides : 5énérale"ent, ce sont des "étaux portés &

des te"pératures de li ué'action, donc asse- élevée, sau' pour le "ercureui est li uide aux te"pératures a"biantes# Pour ces caloporteurs, le

potassiu" suivi du sodiu" ont les "eilleures valeurs de #

c. "ropriétés qu’un caloporteur doit a#oir

Pour le bon 'onctionne"ent de l’installation ther"i ue, le 'luide caloporteur doit avoirles propriétés suivantes 0

6on corrosi', ou & la li"ite tr%s peu corrosi'#

7ésistant aux hautes et basses te"pératures#8voir une viscosité 'aible pour 'aciliter la circulation#8ssurer des pertes ther"i ues "ini"ales, donc avoir une capacitécalori'i ue i"portante#

ans le "arché, on peut utiliser de l’eau pure ou un 'luide caloporteur 'or"é par un"élange de 9onoprop!l%ne (antigel) et de l’eau avec des proportions 'ixées par le'abricant de l’anti gel#

$. %rchitecture d’une installation solaire thermique basse température

/elon la spéci'icité de l’utilisation de l’énergie solaire ther"i ue pour le chau''agede l’eau sanitaire, pour une piscine, pour le conditionne"ent cli"ati ue des serresagricoles, etc#, une installation solaire ther"i ue utilise nécessaire"ent un capteurther"i ue, un ballon de stoc:age, un appoint, une tu!auterie et des petits é uipe"entsélectroni ues# ans la 'igure 1 on donne le sché"a s!nopti ue d’une installation solairether"i ue (/*) pour la production de l’eau chaude sanitaire#

;igure 1 0 /ché"a s!nopti ue d’une installation solaire ther"i ue (/*) pour laproduction de l’eau chaude sanitaire#


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III. Les différents t&pes de capteurs thermiques1. Introduction

n distingue deux 'a"illes de capteur ther"i ues les capteurs vitrés et lescapteurs non vitrés# Les capteurs vitrés sont eux


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

Les capteurs non vitrés ne per"ettent pas d’atteindre des te"pératures élevées# ls sontasse- e''icaces & tr%s prix 'aibles pour des applications nécessitant une te"pérature pastr%s loin de la te"pérature a"biante la plus chaude#

$. Les capteurs solaires plans #itrésa. Introduction

Les capteurs solaires vitrés per"ettent d’atteindre des te"pératures élevées, soit1>?@$# Les rende"ents de ces capteurs sont satis'aisants# $es capteurs peuvent être &pression at"osphéri ue ou sous vide# Le vide crée dans ces derniers per"et de réduired’une "ani%re i"portante les déperditions de chaleur lors ue la te"pérature aug"ente#Les capteurs plans vitrés sont les plus utilisés#

b. 'tructure

.n capteur plan vitré (;igure 3) est 'or"é par 0.n absorbeur 0 recouvert par un revête"ent sélecti' en contact avec destubes en cuivre dans les uels circule le caloporteur pour véhiculer lachaleur vers l’extérieur du capteur#.n vitrage pour créer l’e''et de serre et "ini"iser les pertes parconviction#.n isolant ther"i ue pour "ini"iser au "axi"u" les pertes#.n Aoint en "ati%re plasti ue pour assurer l’étanchéité de la structurecontre la rosée, la pluie, le sable, etc#

;igure 3 0 Vues de pro'il et en coupe de la structure d’un capteur plan vitré#

c. "rincipe de fonctionnementLe 'onctionne"ent d’un capteur plan vitré est le suivant 0

La lu"i%re incidente traverse le vitrage ui doit avoir une courbe detrans"ission avec des valeurs i"portantes de la trans"ission dans toutela ga""e spectrale solaire# $ette lu"i%re atteint l’absorbeur uis’échau''e et é"et un ra!onne"ent en grande partie in'rarouge et 'ait


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Chapitre V : L’énergie solaire the

chau''er & socuivre#Le 'il" placé"ais aussi le

Le 'il" isolanLa figure 4 illustre une sipourcentages lors de chaqueformant le capteur.

Figure 4 : Schéma illustrant l

d. (ilan thermi$o""e dans le do"

parle souvent de bilan thether"i ue est donné & la 'or

Où :

β est le facteabsorbé par l’K est le coeffiE est la puissaTm (°C) est lala moyenne enText est la tem

Lorsqu’on trace la variation

droite de pente négative com

rmique (M. BOUAICHA

n tour le 'luide caloporteur ui circule

sur l’isolant per"et de ré'léchir le ra!oa!onne"ent é"it par l’absorbeur uand i

li"ite les pertes ther"i uestuation expérimentalement réalisable donassage d’un faisceau lumineux à travers un

e fonctionnement des différents constituants

ue d’un capteuraine PV, le capteur ther"i ue poss%de"i ue d’un capteur solaire# Le rende"emule suivante :

βK T T

E

r optique du capteur qui est le rapport enbsorbeur et l’ensoleillement incident.ient de déperdition thermique (en W.°C -1).ce incidente arrivant sur le capteur (en W.m

température moyenne du capteur (Approxitre les températures d’entrée et de sortie).érature extérieure (°C).

du rendement en fonction du rapport

e le montre la figure 5.

%

dans les tubes de

ne"ent incident,l chau''e#

ant les différentsdes dioptres plans

d’un capteur plan.

n rende"ent# nnt η d’un capteur

re l’ensoleillement

2).ée généralement à

, on trouve une


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Figure 5 : Varia

On note que :

L’écart du renles réflexions

Les pertes ther

Pour 0%, on tr

e. )emarqueans cette approche

ue les pertes sont linéairepourrait introduire la cont8insi, l’expression du rende

4 a ? est le 'acteur opti uether"i ues, expri"és respe

*.

Les capteurs t a. Introduction

L’idée de créer le videde la difficulté expérimentalepensé à changer la géométrievide ; c’est le capteur tubulavitrage, entre lesquels on a créLa fabrication de ce type de cAinsi ils sont utilisés pour la c

sont nécessaires, ou pour laimportant, leur utilisation pou

rmique (M. BOUAICHA

ion du rendement en fonction du rapport

dement à la valeur 100% est dû aux pertesur les différents dioptres.

miques sont fonction du rapport .

ouve la valeur de β.

de la déter"ination du rende"ent B, no

s# 6éan"oins, ceci n’est pas touAours leibution des pertes non linéaires, suppoent est donnée par 0

a aT T

E a

T TE

du capteur, a 1 et a 2 sont les coe''icients ative"ent en #" 2#@$


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cependant les performances dtellement meilleures qu’avec50°C. Le choix du capteur soles capteurs plans vitrés ont dLorsqu’on combine des caparaboliques (CPC = Concetempératures.

b. 'tructure et

.n capteur tubulair=ntre eux on crée le vide#di''érents revête"ents ! so

;igure C 0 /tructure d

8 l’intérieur du tube est "id’alu"iniu" ou en cuivre# $tube# Le 'luide caloporteur"ontre le sché"a de la 'igur

;igure D 0 /ché"a "ontrant

Le rEle du getter est d’inbar!u" ui dépose une

rmique (M. BOUAICHA

’un chauffe-eau solaire équipé de capteurs ses capteurs plans vitrés, dans le cas où l’os vide est donc intéressant pour des plagess rendements qui chutent.teurs solaires tubulaires avec la concentntrateur Parabolique Composite), on peut

rincipe de fonctionnement

est 'or"é de deux tubes en p!rex c!lila 'igure C, on donne le sché"a s!nopti

t indi ués#

un tube 'or"ant un capteur ther"i ue c!

se une pla ue d’absorbeur ui est génére dernier est constitué de deux ailettes dicircule dans un tube en cuivre en 'or"e D#

la pla ue de l’absorbeur et le tube en cuivtube en p!rex#

i uer la 'in de vie du tube# Le gettercouche "étalli ue & l’intérieur du

'

us vide ne sont pasproduit de l’eau à

de températures où

ration des miroirsobtenir de hautes

dri ues coaxiaux#ue d’un tube# Les

indri ue#

le"ent le nitruresposées le long due de . co""e le

re & l’intérieur du

st un té"oin enube pendant sa


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'abrication et ui devient blanchFtre en contact avec l’air, ce ui veut dire ue letube n’est plus sous vide et est en 'in de vie#

8vec ce t!pe de capteur, on peut obtenir un "eilleur rende"ent lGhiver car lachaleur est piégée & lGintérieur du tube# Le ré'lecteur et la 'or"e tubulaireper"ettent une capture plus e''icace de l’ensoleille"ent "ê"e le "atin et l’apr%s"idi uand le soleil n’est pas au -énith (Voir 'igure H)# e plus, dans ce t!pe decapteur, on peut utiliser lGeau co""e 'luide caloporteur au lieu dGun "élangedGeau et de gl!col#

;igure H 0 /ché"a "ontrant la co"paraison entre la structure plane (capteur plan) et lastructure tubulaire (capteur tubulaire) vis


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sous vide semble être le meilleur du moment que son rendement se situe entre 55 % et 78 %,et ce pour des températures allant jusqu’à 140°C. Par contre le capteur plan a un rendementqui diminue à 10 % pour la même gamme de température. D’autre part, le rendement d’uncapteur souple diminue très rapidement pour s’annuler à une température de moins de 60 %.

;igure 1? 0 $ourbes de variation des rende"ents d’un capteur souple, d’un capteur vitréet d’un capteur sous vide#

9algré ces résultats, le capteur sous vide n’est pas nécessaire"ent le "eilleur# =n e''et,les courbes données & la 'igure 11 des rende"ents d’un capteur plan vitré et d’uncapteur sous vide "esurés au cours d’une année, "ontrent ue le capteur sous vide est

"eilleur en dehors de la saison chaude#

;igure 11 0 $o"paraison entre les rende"ents d’un capteur plan vitré et un capteursous vide le long d’une année#

Le tableau 1 résu"e uel ues conseils aidant au choix du t!pe de capteur seloncertaines données relatives au site d’installation#


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*ableau 1 0 $onseils pour l

’autre part, co""e dans lcapteur peut 'aire varier ddonne & la 'igure 12 la vd’ensoleille"ent#

;igure 12 0 =''et de l’ensol

,. Choi! de la technol

Selon le besoin, on peplus adapté à l’installation sou

rmique (M. BOUAICHA

choix entre le capteur plan et le capteursite d’installation#

do"aine PV, l’e''et de l’ensoleille"ent sue beaucoup le rende"ent du capteur# 8ariation du rende"ent d’un capteur so

ille"ent sur le rende"ent d’un capteur s

gie du capteur

t utiliser le graphique de la figure 13 pourhaitée pour un ensoleillement 1000 W m 2.

!*

ous vide selon le

r le rende"ent dutitre indicati', on

us di''érents 'lux

laire ther"i ue#

hoisir le capteur le


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;igure 13 0 7ende"ents de uel ues capteurs & 1??? " 2 et conseils d’utilisation#

-. Les capteurs sphériques

l existe d’autres géo"étries des capteurs ther"i ues non tr%s répondus co""ecelles sphéri ues# $i


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. Les capteurs solaires / concentration 0C'"

n peut "o!ennant certaines conditions aug"enter la te"pérature du 'luidecaloporteur en aug"entant l’irradiation u’il reKoit par concentration# Pour cela, on peututiliser des sur'aces asse- larges de 'or"es sphéri ue ou paraboli ue ui 'ocalisent lalu"i%re en leurs 'o!ers# Le principe est illustré & la 'igure 1># n donne & la 'igure 1C unephotographie d’un capteur paraboli ue ($7*=n)#

;igure 1> 0 Principe de la concentration de la lu"i%re sur un capteur tubulaire#

;igure 1C 0 Photographie d’un capteur c!lindro


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ther"osiphon ou s!st%"e passi', ou un capteur et un ballon de stoc:age séparés appelés!st%"e acti'#

2. Le s&st3me thermosiphon ou passif

Les s!st%"es ther"osiphon sont conseillés pour un usage dans les cli"ats sansgel# $o""e le li uide chau''é est plus léger ue le li uide 'roid, ce dernier a tendance &rester en bas du capteur, alors ue celui chau''é "onte# e ce 'ait, l’accu"ulateur (ballonde stoc:age) est "is au dessus du capteur# $ela évite la nécessité de po"page et lesco ts associés, "ais signi'ie ue le stoc:age de chaleur placé au


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Chapitre V : L’énergie solaire thermique (M. BOUAICHA !$

$. Le s&st3me forcé ou actifLes s!st%"es ther"i ues acti's sont générale"ent plus chers# ls sont plus

e''icaces, plus robustes et nécessitent peu de "aintenance ue les s!st%"esther"osiphons# ls n’utilisent ni po"pes ni contrEleur, "ais ils ne sont pas & l’abri du gel

et du surchau''e# ls sont plutEt conseillés dans les cli"ats "odérés#

V. 4uelques installations thermiques (51. Introduction

.ne installation solaire ther"i ue * peut avoir di''érentes applications pourl’usage individuel ou collecti'# =n e''et, elle peut être destinée pour le chau''age, laproduction d’eau chaude sanitaire, la cli"atisation de tout t!pe de local, le séchageali"entaire, etc#

2.

Le chauffe6eau solaire indi#iduel sans appointans ce t!pe d’installation illustrée & la 'igure 1H# Le s!st%"e est 'or"é d’un

capteur, d’un ballon de stoc:age et d’une po"pe# $’est un s!st%"e pas cher# l per"etd’obtenir une eau chaude & une te"pérature voisine de celle extérieure# L’absence del’appoint li"ite la "ontée en te"pérature#

;igure 1H 0 /ché"a s!nopti ue d’une installation solaire ther"i ue * sans appoint#

$. Le chauffe6eau solaire indi#iduel a#ec appoint

$ette installation est la "ê"e ue la précédente, sau' u’elle utilise un appoint enplus# L’appoint peut être un chau''e


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6éan"oins, il 'aut noter l’année ainsi ue le rende"le niveau de l’appoint, on pconso""ation et des ren

sur'aces# ans cette 'igure, lui atteint un "axi"u" dsur'ace, on passe & la courbcourbe rouge, 11? M pour la

;igure 1Ia 0 Variation t!pipo

Le sché"a d’une telle install

;igure 1Ib 0

ans cette installation, onte"pérature de l’eau chaud

rmique (M. BOUAICHA

e le besoin en eau sanitaire individuelnt des capteurs eux M en été, ui devbleu clair et 12? M pour la bleu 'oncé#

e du besoin en eau chaude sanitaire et apr di''érentes sur'aces des capteurs#

ation est porté & la 'igure 1Ib#

$hau''e


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Lors u’on n’utilise pas unPour assurer ce po"page, ola 'igure 2?#

;igure 2? 0 /!st%"e h!

VI. Le domaine du s1. Introduction

/i le do"aine du soldo"esti ue & l’industriel, vo+* concerne plutEt les centde l’électricité#

2. 7onctionnement

Le ra!onne"ent solatteindre des valeurs entreali"ente une turbine uil’électricité# $ette techni ue

La te"pérature atteinte sersodiu")# L’utilisation des s

uelle on peut produire de

stoc:er de la chaleur# 8insabsent# e cette "ani%re, l’i

rmique (M. BOUAICHA

!st%"e ther"osiphon, le po"page de l’n utilise un s!st%"e h!drauli ue co""a

drauli ue pour 'aire circuler l’eau dans unther"i ue avec po"pe#

laire thermique haute température

ire ther"i ue * concerne plusieurs appir les centrales électri ues, le do"aine duales ther"i ues, générale"ent utilisées

aire est concentré en un 'o!er o4 laJ?? @$ et 1??? @$# $ette chaleur produiali"ente elle


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$. Différentes technologies

n distingue actuelle"ent trois technologies "aAeures 0

$entrale & concentration paraboli ue pour la uelle les ra!ons solairesconvergent vers le 'o!er d’une parabole (;igure 21a)#$entrale & tour 0 es "illiers de "iroirs appelés N’héliostats’’ suivant laposition du soleil concentrent le ra!onne"ent sur un récepteur centralplacé au so""et d’une tour (;igure 21b)# $entrale & capteurs c!lindro


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VII. Dimensionnement d’une installation solaire thermique (5

ans cette partie, on présente la "éthode de di"ensionne"ent d’une installationther"i ue * pour la production de l’eau chaude sanitaire individuelle (=$/ ) pour lecas de la *unisie# Pour tout autre pa!s, certaines données doivent être aAustées selon laspéci'icité du pa!s#

Le di"ensionne"ent d’une installation solaire ther"i ue consiste & 0

$hoisir le t!pe de capteur#$hoisir l’orientation du capteur#=sti"er convenable"ent le besoin en eau chaude sanitaire#$alculer la sur'ace des capteurs nécessaires#$alculer la capacité du ballon de stoc:age#$alculer la puissance de la po"pe (si le ther"osiphon n’est pas utilisé)#$hoisir les conduites et le régulateur#

1. Choi! du capteur

.tiliser le tableau 1 et les 'igures 1?, 11, 12 et 13#

2. Choi! de l’orientation

.tiliser les résultats obtenus pour le photovolta ue# 6éan"oins, il 'aut savoirue pour les capteurs ther"i ues, ils sont "oins sensibles ue les panneaux PV du 'aitu’ils utilisent aussi le ra!onne"ent di''us en plus du ra!onne"ent spéculaire ou direct#

$. Calcul du besoin en eau chaude sanitaire

Le besoin individuel en eau chaude sanitaire di''%re selon le Aour de l’année (lasaison), la région, "ais aussi selon le niveau social# n esti"e ue la conso""ationindividuelle en eau chaude & C?@$ varie de 2? & C? litres par Aour selon les crit%resprécédents#

*. Calcul de la surface des capteurs

La sur'ace des capteurs est déter"inée & partir de la capacité du capteur lui<"ê"e expri"ée en litre par " 2, ui, elle


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

1?? M du volu"e d’eau dans les tu!aux cEté eau chaude#>


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Chapitre V : L’énergie solaire thermique (M. BOUAICHA "*

;igure 22b 0 ;iche techni ue spéci'i ue d’un ballon de stoc:age#

,. "ompe8 conduites8 régulateur et accessoires

Pour les installations en *unisie, on n’utilise générale"ent pas de po"pe, du"o"ent ue ce sont les s!st%"es ther"osiphons ui sont utilisés# Pour les conduites,celles


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Le docu"ent en 'ichier annexe ( Document technique solaire thermique.pdf ) est unbon exe"ple ui peut aider & co"prendre et & installer les di''érents co"posants d’uneinstallation solaire ther"i ue pour la production de l’eau chaude sanitaire#

VIII. Les installations h&brides

Les installations h!brides PV


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Chapitre V : L’énergie solaire thermique (M BOUAICHA ""

par le biais d’une chaQne d’ac uisition et une unité de stoc:age per"ettantl’enregistre"ent des données u’on prél%ve sur un ordinateur#

2. "ro;et d’implantation d’une installation "V raccordée=n *unisie, les autorités co"pétentes ont "is au point un s!st%"e asse- 'iable

pour 'aire parvenir et encourager les conso""ateurs & réaliser des installations PVintégrées au réseau de la /*=5# $e proAet porte le no" de P7 / L =lec pour le PV ui aété cal ué sur le proAet P7 / L relati' & l’énergie solaire ther"i ue (chapitre > de cecours) ui a subit un succ%s i"portant# Les deux proAets couvrent tout le territoiretunisien, "ais il est co""ercialisable pour pa!s de l’8'ri ue# La 'igure 2> donne lesché"a de l’i"plantation d’un proAet P7 / L ou P7 / L =lec en *unisie#

;igure 2> 0 /ché"a de l’i"plantation d’un proAet P7 / L ou P7 / L =lec en *unisie#

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