les bases du solaire - vft47

1

LES BASES DE

L’ENERGIE SOLAIRE

J-M R. D-BTP 2006

2

Les constantes solaires

Technologie des capteurs

Rayonnement solaire sur un plan incliné

Types d’installations

Régulation

Masques et obstacles devant les capteurs

Couplage des capteurs

Vase d’expansion fermé

Soupape de sûreté

Purgeurs

Clapet anti thermosiphon

Le stockage

3

SOLEIL

5 770 °C

TERRE


4

Constante solaire:

1353 W/m²

Pertes par

réflexion

Pertes par dérivation

et absorption

Rayonnement incident par ciel

clair et dégagé: 1000 W/m²


5

Puissance du rayonnement en fonction de la météo

1000 W/m² 600 W/m² 300 W/m² 100 W/m²

Ciel bleu Légèrement

nuageux Soleil voilé Journée grise

d’hiver


6

Ensoleillement annuel moyen en kWh/m² au sol


7

Zones solaires en Europe

Productivité pour des installations avec capteurs permanents


8

1100 kWh/m².an

(Nord de la France)

1700 kWh/m².an

(Sud de la France)

...à...

ZONE I 1

ZONE I 2

ZONE I 3

ZONE I 4

L’énergie solaire incidente sur un plan horizontal, en France métropolitaine, varie de :


9

Ensoleillement moyen

Énergie reçue par 1m² de capteur plan


10

Eté Hiver

Ellipse

23,5° 23,5°

Système solaire

Inclinaison


11

Eté + 23,5°

Hiver - 23,5°

Latitude

équinoxe

21 mars

équinoxe 21

Septembre

solstice

21 juin

solstice 21

décembre

Pour une utilisation annuelle, l’inclinaison du capteur par

rapport à l’horizontale correspond à la latitude du lieu.

Hauteur du soleil au dessus de l’horizon à midi (heure solaire).

Printemps Eté Automne Hiver


Inclinaison

12

Eté

Hiver

Angle d’inclinaison

du capteur 43°

19,5°

66,5°


Inclinaison

13

Printemps Eté Automne Hiver Eté + 23,5°

Hiver - 23,5°

Latitude

équinoxe

21 mars

équinoxe 21

Septembre

solstice

21 juin

solstice 21

décembre

1° mai 31° août

- 12 °

Selon l’application, il y a lieu de diminuer l’inclinaison par rapport à

l’horizontale en fonction de la période d’utilisation (exemple d’une piscine)


Inclinaison

14

N

W

E

S


Azimut

15

0

7 h 30 : - 60° 16 h 30 : + 60°


Solstice d’hiver : Secteur parcouru par le soleil = 120°

Azimut

16

7 h 30 : - 60° 16 h 30 : + 60°


Une légère modification de l’azimut n’à pas d’influence sur le temps d’insolation.

Azimut

17

7 h 30 : - 60° 16 h 30 : + 60°


Une légère modification de l’azimut n’à pas d’influence sur le temps d’insolation.

Azimut

18

0

6 h : - 90° 18 h + 90°


Equinoxes : Secteur parcouru par le soleil = 180°

Azimut

19


Une légère modification de l’azimut à de l’influence sur le temps d’insolation.

Pas d’insolation

Pas d’insolation

6 h : - 90° 18 h + 90°

Azimut

20


Pas d’insolation

Pas d’insolation

Une légère modification de l’azimut à de l’influence sur le temps d’insolation.

6 h : - 90° 18 h + 90°

Azimut

21


0

4 h : -120° 20 h : +120°

Solstice d’été : Secteur parcouru par le soleil = 240°

Azimut

22


4 h : -120° 20 h : +120°

Une légère modification de l’azimut n’a pas d’influence sur le temps d’insolation.

Azimut

23


4 h : -120° 20 h : +120°

Une légère modification de l’azimut n’a pas d’influence sur le temps d’insolation.

Azimut

24

N

W

E

S


Dans la pratique une différence de 30° est tolérée

Azimut

25


Azimut

Le matin au au levé du soleil: largeur équivalente faible,efficacité du capteur faible.

Evolution de la largeur équivalente du capteur en fonction de la position du soleil.

26


Le soleil continue sa course: largeur équivalente augmente, efficacité augmente.

Azimut


27


Le soleil est au zénith: largeur équivalente maximum, efficacité maximum.

Azimut


28

O,80 0,85 0,90 0,95 O,97

1 1,01

Coefficient de correction latitude 45°

Exemple:

Orientation SSW

Inclinaison 35°

Coefficient 0,90

0 30E 60E 90E 30W 60W 90W

SUD W E S W WSW SSW SSE S E ESE

45

75

60

30

15

0

90

35


29


Les capteurs doivent être installés en exposition sud dégagée à toute

heure de la journée tous les jours de l’année.

30

large

h

D

D > 4 h

ou > 14°5

La règle si dessous doit être respectée, en cas de doute effectuer un

tracé des profiles d’ombre sur un graphique .


31


Le profil d’ombre permet de déterminer tout au long de l’année les

jours et les heures où les capteurs seront masqués par les obstacles .

32


Lors de la maintenance annuelle, surveiller l’évolution de la végétation.

33


Le graphique utilisé doit correspondre à la latitude du lieu.

34


Capteur plan vitré

35


Absorbeurs

Matière transparente:

le verre

Matière réfléchissante:

miroir

Matière absorbante:

revêtement noir

36

Absorbeurs


Fonctionnement de l’absorbeur :

L'absorbeur est muni de tubes assurant la circulation du fluide

caloporteur à chauffer.

La surface absorbante (revêtement) absorbe et transforme le rayonnement

solaire en chaleur.

Un bon revêtement doit être fortement absorbant : il est en général noir

ou de teinte sombre.

37 Coffre Isolant Absorbeur

Vitre Joint


Capteur plan vitré

38


Capteur plan vitré

39


Capteur plan vitré

Rayonnement incident 100 %

Pertes par rayonnement 21 %

Pertes par

convection et

conduction 29 %

Energie récupérée 50 %

40


Capteur plan vitré



Pertes par

convection et

conduction 29 %


Température moyenne de l’eau : 30 °C, air : 10 °C

41


Capteur plan vitré



Pertes par

convection et

conduction 44 %


Température moyenne de l’eau : 60°c, air : 10°c

42

Evolution du rendement d'un capteur solaire

en fonction de sa propre température

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

20 30 40 50 60 70 80

Température moyenne du capteur [°C]

Ren

dem

en

t d

u c

ap

teu

r [%

] Température extérieure = 10°C

Ensoleillement = 600 W/m²


Capteur plan vitré

43


Moyens d’améliorer le rendement des capteurs :

- diminuer la température du fluide caloporteur par un bon calcul de l’installation,

- diminuer le pouvoir réfléchissant des surfaces vitrées par l’emploi de

verre sélectif,

- diminuer la convection autour de l’absorbeur par l’emploi de capteur

sous vide d’air dans le cas de hautes températures.

44 3-7 Composants et sous-systèmes des installations solaires thermiques


Capteur sous vide

45 3-8 Composants et sous-systèmes des installations solaires thermiques


Capteur sous vide

46

Capteurs sous vide


47

Capteur non vitré « moquette solaire »


Très utilisé pour des températures de réchauffage très basses

48


Capteur non vitré « moquette solaire »

49

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1

h :

Ren

dem

ent

[%]

CAPTEUR SOUS-VIDE

CAPTEUR PLAN SELECTIF

CAPTEUR PLAN STANDARD

CAPTEUR PLAN NON VITRE

Performances comparées des différentes technologies de capteurs.

(Tm - Te)/H [K.m²/W]

Tm: température moyenne du fluide

Te: température exrtérieure

H: insolation en W/m²


50

Exemple piscine: Δθ eau = 25 K θ°air = 20°c

H= 1000 W/m²

(Tm – Te)/H = 0,005 Km²/W

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1

h :

Ren

dem

ent

[%]

CAPTEUR SOUS-VIDE





62%

65%

66%

72%


51

Exemple ECS: Δθ eau = 60 K T°air= 10°c

H= 800 W/m²

(Tm – Te)/H = 0,625 Km²/W

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1

h :

Ren

dem

ent

[%]

CAPTEUR SOUS-VIDE





52%

0%

31%

47%


52

La courbe de rendement d’un capteur est définie par l’équation suivante

H

T T . K B

e m - - = h

B : Facteur optique du capteur ;

K : Coefficient de déperditions du capteur [W/m².K] ; Tm : Température moyenne du capteur [°C] Te :

Température extérieure [°C] ; H : Irradiation solaire [W/m²]

Le rendement des différents capteurs solaires:

Le facteur optique B

Ce facteur (sans dimension) est le produit du coefficient d'absorption de l'absorbeur par le coefficient

de transmission du vitrage. Il varie entre 0,5 et 0,8 suivant la nature du capteur (par rapport à la

surface hors tout du capteur). Il correspond aussi au rendement maximum du capteur.

Le coefficient K [W/m².K]

Ce coefficient est représentatif des pertes thermiques du capteur. Il dépend essentiellement du niveau

d'isolation du capteur et de la nature de l'absorbeur. Il varie fortement en fonction du type de capteur :

Capteur non vitré : 20 à 25 [W/m².K]

Capteur vitré standard : 5 à 8 [W/m².K]

Capteur vitré sélectif : 4 à 6 [W/m².K]

Capteur sous vide : 1 à 2 [W/m².K]


53


Thermo siphon monobloc

54

Thermo siphon monobloc

ECS

EFS

Utilisé comme chauffe-eau dans les régions ou pays

où il n’y a pas de risque de gel. Pas de régulation.


55

Thermo siphon à éléments séparés

Attention aux règles d’installation! Le stockage doit se

trouver plus haut que le capteur et il faut respecter une

pente vers le stockage pour assurer la circulation

naturelle du fluide caloporteur. Régulation inutile,

antigel indispensable avec vase d’expansion et soupape

de sûreté.


56

Thermo siphon à éléments séparés


57

R

Eléments séparés à circulation forcée.

Toutes les configurations d’installation sont possibles. La mise en place

d’un clapet anti siphon est indispensable pour éviter de refroidir le stockage

la nuit. Régulation et fluide caloporteur antigel indispensables avec vase

d’expansion, purgeurs aux point hauts et soupape de sûreté.


58

R

Bouteille

de

récupération

ZONE HORS GEL

Eléments séparés à circulation forcée système autovidangeable.

Les capteurs doivent être au plus hauts que le stockage, la bouteille de récupération doit être

dans une zone hors gel, plus basse que le bas des capteurs et plus haute que le haut de

l’échangeur. Attention aux pentes des liaisons hydrauliques car il faut assurer la vidange

totale des capteurs quand la pompe s’arrête. Régulation indispensable, antigel inutile, pas de

vase d’expansion, pas de soupape de sûreté.


59


Montage en parallèle.

60

Montage en série.


61

Montage mixte pour champs de captage importants.


62

R

Capteur solaire

Circulateur

Ballon

de

stockage Régulation

Eau froide

Eau chaude Tc

Tb

Régulation

La chaleur doit aller des CAPTEURS au STOCKAGE et non l'inverse.

La mise en route et l'arrêt de la circulation sont effectués par un régulateur qui

mesure constamment :

Tc : température en point haut d’un des capteurs (souvent le dernier)

Tb : température du ballon au niveau de l’échangeur

Un comparateur intégré au régulateur calcule la valeur correspondant à l’écart de

température Tc - Tb (Sortie capteur ; Bas du ballon) : T.

63

R

Capteur solaire

Circulateur

Ballon

de


Eau froide

Eau chaude Tc

Tb

La valeur calculée T est alors comparée aux différentiels d’arrêt et de démarrage

paramètrés sur le régulateur:

Le circulateur démarre lorsque :

T = Tc - Tb > DD ( différentiel de démarrage)

Le circulateur s’arrête lorsque:

T = Tc - Tb < DA (différentiel d’arrêt)

Les valeurs de DD , DA sont réglables par l’installateur.

Régulation

64

R

Capteur solaire

Circulateur

Ballon

de


Eau froide

Eau chaude Tc

Tb Point d’attention :

- la sonde du capteur doit être placée au point le plus chaud du capteur,

- la sonde du ballon doit être placée au point le plus froid du ballon,

- dans le cas de liaisons hydrauliques longues, augmenter le différentiel de

démarrage pour tenir compte des pertes de chaleur en ligne.

Régulation

65

Régulation

66

Régulation

67

Il y a rarement un point de consigne sur les régulations des chauffe-eau

solaires l’énergie étant gratuite on récupère tant qu’il y a du soleil.

Dans le cas de faibles prélèvements d’ECS pendant des journées de fort

ensoleillement consécutives, la température du fluide caloporteur peut monter

au dessus de 100 °C.

Une auto régulation se produira et la température du fluide se stabilisera

quand les déperditions de chaleur du capteur vont égaler les apports par le

rayonnement solaire (le rendement du capteur diminue quand la température

interne augmente).

Il est recommandé de ne jamais stopper une installation solaire même en cas

d’absence prolongée car il n’y a pas d’aquastat de surchauffe.

Régulation

68

Tableau de relation Pression absolue– température d’évaporation pour l’eau pure

Pression

absolue

bar

q

évaporation

°C

Pression

absolue

bar

q

évaporation

°C

Pression

absolue

bar

q

évaporation

°C

0,5 80,86 1,6 112,73 11 183,2

0,6 85,45 1,8 116,33 12 187,08

0,7 89,45 2 119,62 13 190,71

0,8 92,99 3 132,88 14 194,13

0,9 96,18 4 142,92 15 197,36

1 99,09 5 151,11 16 200,43

1,1 101,76 6 158,08 17 200,35

1,2 104,25 7 164,17 18 206,14

1,3 106,56 8 169,61 19 208,91

1,4 108,74 9 174,53 20 211,38

1,5 110,79 10 179,04 22 216,23

Régulation

69


R

70


71

Pour choisir ou contrôler le bien-fondé du choix d’un vase il faut connaître les

grandeurs suivantes :

Pour déterminer la pression de prégonflage :

- la pression de l’eau en fonctionnement à l’endroit du vase,

Pour déterminer le volume minimum du vase :

- le volume de l’installation,

- la température moyenne maximale à laquelle peut monter l’installation,

- la pression de l’eau en fonctionnement à l’endroit du vase,

- l’altitude des soupapes de sûreté par rapport à l’axe du vase,

- la pression de tarage des soupapes.


72

Pression de prégonflage :

Cette pression de prégonflage doit être égale à la pression de l’eau au niveau du

vase quand l’installation est froide.

Sa pression de prégonflage sera alors la pression statique de l’installation à son

niveau (pression d’eau au niveau du vase après remplissage), soit souvent la

hauteur du point haut de l’installation au dessus du vase plus 5 mCE.

Exemple :

Le point haut de l’installation est situé à 10 m au dessus du vase

La pression d’eau au niveau du vase sera de 10 m + 5 m = 15 m

La pression de prégonflage sera de 15 mCE soit 1,5 bar

Pour éviter que la membrane du vase colle à la paroi lorsque l’installation est

froide, et comme le vase sera toujours surdimensionné, il est préférable que la

pression de prégonflage soit légèrement inférieure à cette valeur (- 0,1 bar).


73

Expansion arrondie en % en fonction de la teneur en glycol et de la température.

20

°C

30

°C

40

°C

50

°C

60

°C

70

°C

80

°C

90

°C

100

°C

110

°C

0 % 0,2 0,4 0,8 1,2 1,7 2,3 2,9 3,6 4,3 5,2

10 % 0,5 0,7 1,1 1,5 2,0 2,6 3,2 3,9 4,6 5,5

20 % 0,8 1,1 1,4 1,8 2,3 2,9 3,5 4,2 4,9 5,8

30 % 1 1,3 1,6 2,1 2,6 3,1 3,8 4,4 5,2 6,0

40 % 1,5 1,7 2,1 2,5 3,0 3,6 4,2 4,9 5,6 6,4

50 % 1,8 2,0 2,4 2,8 3,3 3,9 4,5 5,2 5,9 6,7


74

Volume minimum du vase :

Ce volume minimum est le volume d’expansion divisé par le rendement du vase.

Le volume d’expansion est le volume de l’installation multiplié par le coefficient

d’expansion.

Suite de l’exemple :

Le volume de l’installation est de 40 L, la température maxi moyenne est de 110 °C

La teneur en glycol est de 40 %

Le volume d’expansion est de 40 L . 0,064 = 2,56 L

= . Vexp Vinstal n

Le pourcentage de variation de volume est de 6,4 % , donc n = 0,064

20

°C

30

°C

40

°C

50

°C

60

°C

70

°C

80

°C

90

°C

100

°C

110

°C

0 % 0,2 0,4 0,8 1,2 1,7 2,3 2,9 3,6 4,3 5,2

10 % 0,5 0,7 1,1 1,5 2,0 2,6 3,2 3,9 4,6 5,5

20 % 0,8 1,1 1,4 1,8 2,3 2,9 3,5 4,2 4,9 5,8

30 % 1 1,3 1,6 2,1 2,6 3,1 3,8 4,4 5,2 6,0

40 % 1,5 1,7 2,1 2,5 3,0 3,6 4,2 4,9 5,6 6,4

50 % 1,8 2,0 2,4 2,8 3,3 3,9 4,5 5,2 5,9 6,7


75


Le volume minimum du vase est le rapport du volume d’expansion par le

rendement du vase.

Le rendement du vase est le rapport de l’augmentation maximale de pression

dans le vase sur la pression absolue maximale c’est à dire :

V mini = Vexp

rd vase

rd vase = ( P2 – P1 )

P2

P1 = p prégonflage + 1,013 bar

P2 = p tarage + 1,013 bar ( z / 10,2 ) + _


76


La formule développée globale est :

V mini n Vinstal ( P2 – P1 )

P2 = . .

Vmini : volume minimum du vase d’expansion fermé

n : coefficient d’expansion dépendant de l’élévation de température

Vinstal : volume de l’installation à froid sans compter le vase

P2 : pression absolue maximale dans le vase (pression relative au vase qui fera

« cracher » les soupapes + Patm)

P1 : pression absolue de prégonflage du vase (pression relative de remplissage

d’eau au niveau du vase + Patm)


77

Volume minimum du vase : Suite de l’exemple :

La soupape, tarée à 3 bar est située 1 m au dessus de l’axe du vase.

Vexp : 2,56L

P1 : 1,5 bar + 1,013 bar = 2,513 bar

P2 : 3 bar + 1,013 bar + ( 1 m / 10,2 m/bar ) = 4,11 bar

rdvase : ( 4,11 – 2,513 ) / 4,11 = 0,39

Vmini : 2,56 L / 0,39 = 6,56 L

Le vase prégonflé à 1,5 bar devra avoir un volume minimum de 6,56 litres.

Mais si le volume réel du vase était strictement de 6,56 litres, la pression au

niveau de la soupape atteindrait la pression de tarage aussitôt que la

température moyenne du réseau atteindrait 110 °C !

Le volume réel du vase devra donc impérativement être supérieur à ce volume

minimum calculé. Attention à la compatibilité de la membrane du vase avec le

glycol lors des remplacements de vase d’expansion.


78

V

P

Système solaire rempli,

installation froide

q


79

P

V

Montée en température, le

vase absorbe le volume

de dilatation du fluide, la

pression augmente.

q


80

P

La température

augmente, le vase absorbe

le volume de dilatation du

fluide, la pression

augmente. V

q


81

q P

Surchauffe,la pression

augmente jusqu’à

dépasser la pression de

tarage de la soupape de

sûreté: ouverture de la

soupape de sûreté.

V


82

R

Soupape de sûreté

83

Soupape de sûreté

haute température 225 °C

Permet d’éviter les

surpressions dans le

réseau caloporteur et la

vapeur lors d’éventuelles

vaporisations si

l’installation à été mise à

l’arrêt accidentellement.

Soupape de sûreté

84

Soupape de sûreté

85

Pour éviter toute pollution,

les soupapes de sûreté des

installations utilisant du

MPG seront raccordées pour

évacuer les surpressions

dans un bac de récupération.

Le produit ainsi récupéré

pourra être réinjecté au

besoin dans le circuit.

Soupape de sûreté

86

R

Purgeurs

87 Purgeur manuel Purgeur automatique

Purgeurs

88

Ils sont équipés de flotteurs permettant d’ouvrir via un

obturateur l’évacuation des gaz dès que le niveau d’eau

baisse.

Pour que le purgeur soit opérationnel il est nécessaire

que le bouchon soit dévissé d’un tour .

Un joint permet de réaliser l’étanchéité en cas de fuite

sur l’obturateur, dans ce cas le purgeur ne fonctionne

plus de manière automatique.

Purgeurs automatiques

Purgeurs

89

Sur le point haut du capteur,un purgeur automatique

résistant aux hautes températures est installé sur une vanne

Purgeurs

90

Après remplissage, purge et dégazage de l’installation, la

vanne est fermée et le purgeur démonté pour éviter sa

dégradation en milieu extérieur et le risque de fuite de

fluide caloporteur.

Purgeurs

91

Pour les capteurs posés sur toiture ou difficilement accessibles il est

préférable de reporter la purge haute dans un endroit accessible.

Purgeurs

92

R

Clapets anti thermosiphon

93

Clapet droit ou

équerre Clapet pour circulateur

à raccord union.

Clapet avec union

incorporé.


94

Le clapet anti thermosiphon est constitué d’un corps dans lequel

se trouve un clapet appliqué sur un siège par un ressort.


95

En position repos, le clapet est fermé.


96

Le clapet s’ouvre sous l’action de la pression dynamique

occasionnée par le débit de la pompe.


97

La nuit, le débit peut s’inverser et le clapet va s’opposer

à la circulation du fluide caloporteur et ainsi éviter le

refroidissement du stockage.


98

R

Le stockage

99

Ballon solaire seul :

Un seul échangeur situé dans

le bas du ballon raccordé sur

les capteurs.

La totalité du stockage est

chauffée par le solaire.

Le stockage

100

Ballon solaire avec appoint intégré :

Deux échangeurs :

- Un « solaire » dans le bas du ballon

raccordé sur les capteurs.

- Un deuxième situé dans le tiers

supérieur du ballon raccordé à

l’appoint.

Le stockage

101

Journée ensoleillée :

La totalité du stockage

est chauffée par le soleil.

Le stockage

102

Journée peu ensoleillée :

Le stockage est

préchauffé par le soleil

L’appoint prend le relais

pour amener le tiers

supérieur en température

Le stockage

103

Journée sans soleil :

L’appoint est seul pour

amener uniquement le tiers

supérieur en température.

Le stockage

les bases du solaire - vft47

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