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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
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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
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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
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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
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Capteur sous vide « Sydney »Assemblage et soudure des tubes intérieur et extérieur
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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.
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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
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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
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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
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Capteurs Températures de stagnation
• Sans vitrage : 70 °C
• Vitré sélectif: 170 °C
• Sous vide: 200 à 300 °C
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