Solaire thermique 1-2 Technologies

Solaire thermique1-2 Technologies

2020

1

Le rayonnement solaire

2

Le rayonnement solaire

3

Le rayonnement solaire

4

Réfléchi par

les nuages

Indirect

(réfléchi)

Rayonnement

directAbsorbé

Atmosphère

Rayonnement

diffus

Le rayonnement solaire

Absorption

300W/m2

Réflexion

100 W/m2

Energie diffuse

Atmosphère

Pertes capteurs

200- 400 W/m2

1400 W/m2

Énergie utile

600- 800 W/m2

Densité de flux

interceptée par la Terre

1000 W/m2

5

Trajectoire annuelle et journalière du soleil (hémisphère nord)

O

S

N

E

21 décembre

21 septembre

21 juin

Zénith

21 mars

Équinoxes (printemps et automne) et Solstices (hiver et été)

6

Mesure du rayonnementSphère de Campbell

Sphère de verre qui concentre les rayons sur un papier thermosensible

Mesure de la durée d’insolation7

Mesure du rayonnementPyranomètre

rayonnement solaire global

direct + diffus

rayonnement diffus

Etalonnage des pyranomètres8

9

Mesure du rayonnementsonde d’ensoleillement

9

Mesure du rayonnementImagerie satellitaire

http://www.soda-is.com/fr/index.html

http://www.satel-light.com/core.htm

http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/10

Les capteurs solaires

11

Capteurs sans vitrageType « moquette »

12

Capteurs sans vitrage

13

Capteurs sans vitrageType « moquette »

14

Capteurs sans vitrageFixation au sol ou en toiture

15

Capteurs sans vitragedouches solaires

16

Capteurs vitrésbilan énergétique

convection

Energie incidente (globale)

Reflexion du vitrage

Pertes par convection et

rayonnement

Transmission

du vitrage

Absorption de

l‘absorbeur

Pertes par

conductionEnergie utile

Emission

infrarouge

17

Capteurs vitréscomposants – vue éclatée

18

Couverture transparente

Emission

3- 7%

Absorption

92- 96%

Couverture

transparente

Absorbeur

19

Couverture transparenteDouble vitrage

20

Couverture transparente Fixation des vitrages

entretoise

joint silicone

Coffre

vitrage vitrage

Coffre

entretoise

Joint d'étanchéité

vis de fixation

Pareclose

21

Couverture transparente Fixation des vitrages

22

Couverture transparente phénomène d'effet de serre

Longueur d’onde (μm)

Ecla

irem

en

t sp

ectr

al [W

.m-2

. μ

m-1

]

Fa

cte

ur

de

tra

ns

mis

sio

n [

%]

0,3 0,4 0,8 2,5

2000

1000

5

100

50

UV

spectre

Visible

IR

Rayonnement émis

par l’absorbeur

bloqué

IR lointain

énergie émise par le

soleil (forte partie dans

le visible)

Transmission du verre

IR bloqués

23

Absorbeurrevêtement sélectif

Soudure

ultrason

0,3mm

Canalisation

Absorbeur

Revetement sélectif

= 200nm

Coef. absorption élevé pour le rayonnement solaire (< à 2,5 m)

faible émissivité dans les infra rouges = revêtement sélectif 24

Absorbeurrevêtement sélectif

25

Absorbeurrevêtement sélectif – dépôt sous vide

26

AbsorbeurSoudure ultrason

27

AbsorbeurSoudure laser

28

AbsorbeurSoudure laser

29

AbsorbeurGéométrie

Capteurs à absorbeur « échelle ou harpe »

Capteurs à absorbeur« serpentin ou méandre »

Moins d’autorité, le fluide se répartit sur plusieurs tubes

Plus résistant, perte de charge augmentée, Moins sensible au déséquilibrage

30

AbsorbeurSoudure des canalisations

31

Coffre de capteur

Plaque de protection arrièreMousse de PU

Laine minérale

Profilés périphériques(aluminium)

intérieur du coffre(métal ou matériau composite)

Extérieur du coffre(métal ou matériau composite)

Mousse de PUinjectée

32

Vue en coupe de capteurs

Vitrage

Cadre perforé

Gaz neutre

Silicagel

AbsorbeurProfilé joint étanche

Joint silicone Joint butyle

Coffre

33

Assemblage des capteurs

34

Assemblage des capteurs

35

Capteurs vitréscomposants

Sortie

Profilé latéral

Couverture transparente

Absorbeur

Isolation arrièreCanalisation

Coffre arrière

Entrée

relier les composants aux bons emplacements36

Définitions

37

convection

Energie incidente (globale)

Reflexion du vitrage

Pertes par convection et

rayonnement

Transmission

du vitrage

Absorption de

l‘absorbeur

Pertes par

conductionEnergie utile

Emission

infrarouge

38

Capteur sous videPrincipe

Capteur sous videPrincipe

39

40

Structure de support

de vitre:Supporte 20 tonnes de pression

Absorbeur en aluminium:Converti l’ensoleillement en chaleur

Circuit de retour du HTF intégré:Diminue les pertes de chaleur

Capteur sous vide« Plan sous vide »

Isolation sous vide poussée :Pas de perte par convection

PSV: Plan Sous Vide

40

Capteurs sous vide« Tubes sous vide »

Diverses techniques : Caloduc, A circulation directe, Schott, à effet Thermos…

41

42

Capteurs sous videDéfinitions des surfaces

42

Capteur sous vide« Tube sous vide »

A

A

Tube verre

Plaque absorbante

Plaque métallique

Soudure verre/métal

Enceinte sous vide

Coupe

AA

43

Capteur sous videliaison verre-métal

entrée

sortie

absorbeur

44

Capteur sous videliaison verre-métal

45

Capteur sous videfixation

46

Capteur sous videCircuit direct – circuit caloduc

47

Capteur sous videprincipe du caloduc

48

Pour être efficace le vide doit être poussé < 10-4 Pa.

Les tubes sont munis d'un témoin (getter) en baryum,

Dépôt d’une couche métallisée sur l'intérieur du tube pendant la fabrication. Cette couche argentée de baryum devient blanche en contact avec l'air et ainsi sert de témoin à la perte de vide.

Source : outilssolaires.com

Tube sous vide

Absorbeurs retournés49

Capteur sous videtube sous vide type « Sydney »

50

Capteur sous vide « Sydney »préparation et lavage des tubes

51

Capteur sous vide « Sydney »Soudure du fond bombé et de la canule

52

Capteur sous vide « Sydney »Traitement thermique pour détendre les contraintes

53

Capteur sous vide « Sydney »Assemblage et soudure des tubes intérieur et extérieur

54

Capteur sous vide « Sydney »Scellement des canules après mise sous vide

55

Capteur sous vide « Sydney »Tubes terminés

56

Capteur sous vide « Sydney »Réflecteurs

57

Capteur sous vide « Sydney »Transfert d’énergie - contact verre-métal

58

Capteur sous vide « Sydney »Caloduc

59

Les capteurs solaires

norme NF EN ISO 9806:2017

60

Capteurs vitrésBancs d’essai intérieur et extérieur

61

https://youtu.be/XlOwNnwvtno

Test : la pression des tubes absorbants

Test selon EN 12975: 10 bars

Test de résistance aux hautes températures

Exposition d’au moins une heure à

un rayonnement solaire supérieur à

1000 W/m²

62

Test : le changement de température à l’extérieur du collecteur

Le collecteur est chauffé 2 x 1 heure

par un rayonnement >850 W/m² puis

refroidi à <25°C.

Test : le changement de températures à l’intérieur du collecteur

Le collecteur est chauffé 2 x 1 heure par un

rayonnement de >850 W/m² puis refroidi à

<50 °C.

63

Test : l‘étanchéité à la pluie

Le collecteur est aspergé

de 0,05 l/m²h d’eau

pendant 4 heures (pluie

normale).

Test : la résistance au gel

64

Test : la résistance à la charge mécanique

+/- 1000 Pa = 250 kg.

Une bille d’acier de 150 g est lâchée

d’une hauteur entre 0,4 m et 2 m pour

retomber sur la vitre du collecteur.

Test : la protection contre la grêle

65

Les capteurs solaires

rendements/applications

66

Capteurs rendements

• Bilan au niveau d’un capteur

Ta (°C)W (W/m²)

S (m²)

Tm(°C)𝐴𝑝𝑝𝑜𝑟𝑡𝑠 = 𝜂0.𝑊. 𝑆𝑃𝑒𝑟𝑡𝑒𝑠 = 𝑎1. 𝑆. (𝑇𝑚 − 𝑇𝑎) + 𝑎2. 𝑆. (𝑇𝑚 − 𝑇𝑎)²

67

convection

Energie incidente (globale)

Reflexion du vitrage

Pertes par convection et

rayonnement

Transmission

du vitrage

Absorption de

l‘absorbeur

Pertes par

conductionEnergie utile

Emission

infrarouge

Capteurs rendements

• Bilan au niveau d’un capteur

Ta (°C)W (W/m²)

S (m²)

Tm(°C)𝐴𝑝𝑝𝑜𝑟𝑡𝑠 = 𝜂0.𝑊. 𝑆𝑃𝑒𝑟𝑡𝑒𝑠 = 𝑎1. 𝑆. (𝑇𝑚 − 𝑇𝑎) + 𝑎2. 𝑆. (𝑇𝑚 − 𝑇𝑎)²

𝑃𝑢𝑖𝑠𝑠𝑎𝑛𝑐𝑒 = 𝐴𝑝𝑝𝑜𝑟𝑡𝑠 − 𝑃𝑒𝑟𝑡𝑒𝑠= 𝜂0.𝑊. 𝑆 − 𝑎1. 𝑆. Δ𝑇 − 𝑎2. 𝑆. (Δ𝑇)²

𝑅𝑒𝑛𝑑𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 =𝑃𝑢𝑖𝑠𝑠𝑎𝑛𝑐𝑒

𝑊 𝑥 𝑆= 𝜂0− 𝑎1.

Δ𝑇

𝑊− 𝑎2

Δ𝑇²

𝑊

𝜼 = 𝜼𝟎− 𝒂𝟏.𝜟𝑻

𝑾− 𝒂𝟐∙ 𝑾 ∙ (

𝜟𝑻

𝑾)²

68

Capteurs rendements

• En négligeant le terme T² (ancienne norme NFP50501)

Text (°C)H (W/m²)

S (m²)

Tm(°C)

𝜼 = 𝑩 − 𝑲(𝑻𝒎 − 𝑻𝒆𝒙𝒕)

𝑾

Avec

: rendement du capteur

B ≈ 0 : produit du coefficient d'absorption de l'absorbeur par le coefficient de transmission

du vitrage. Il varie entre 0,7 et 0,85.

il correspond aussi au rendement maximum du capteur.

K : coefficient de déperditions du capteurs [W/m².K]

Tm : temp. moyenne du capteur [ºC]

Text : temp. Extérieure [ºC]

W : irradiation solaire [W/m²]

69

70

Tech

nolo

gies

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14

(Tm - Te) / W

RendementFacteur B

Point de stagnation

Capteurs vitrésRendements

70

Capteurs rendements

71

Capteurs Rendement

• Dans quel cas atteint-on la température maxi ?

• Quand le rendement est-il maxi ? 72

Capteurs Rendement

73

Capteurs Rendement - applications

• 1 - Calculer la température maxi pour un capteur de facteur optique 0,75 et de coefficient de pertes K = 5 W/m².K ?

• 2 – déterminer le rendement d’un capteur (B=0,8 / K=4,9 W/m².K) pour un ensoleillement de 600W/m², une température de capteurs de 50°C et une température extérieure de 20°C. Et si l’ensoleillement passe à 300 W/m² , que devient le rendement ?

74

Contrôle de fonctionnement d’une installation solaire

Le débit mesuré de circulation des capteurs est mesurée à 30l/h.m²B = 0,85K = 3,37 W/m².°C

• QUESTION 1 : quelle est la puissance solaire récupérée ?

• QUESTION 2 : quel est le rendement mesuré sur le capteur ?

• QUESTION 3 : quel est le rendement théorique du capteur ?

Puissance récupérée = débit x masse volumique x Cp x (Tsc-Tec) / 3,6[l/h.m²] [kg/l] [kJ/kg.C]

Rend théo = B-K(Tm capteur – T ext)/Enso75

Courbes du rendement de capteurs et domaines d'application

3-13Composants et sous-systèmes des installations solaires thermiques

Re

nd

em

ent

Différence de température entre le capteur et le milieu ambiant [°C]

Capteur plat

Capteur de vide

Absorbeur de piscine 0 – 20-30 °C Chauffage de piscine

20 – 100 °C Eau chaude et chauffage

> 100 °C Chaleur de processus

76

Capteurs Températures de stagnation

• Sans vitrage : 70 °C

• Vitré sélectif: 170 °C

• Sous vide: 200 à 300 °C

77