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Modélisation et réalisation dun dispositif de chauffage dune piscine par énergie solaire.

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1 Modélisation et réalisation dun dispositif de chauffage dune piscine par énergie solaire

2 Les différents capteurs solaires sur le marché Capteur exclusivement réservé pour le chauffage des piscines extérieures (en polyéthylène) Panneau solaire thermique => chauffage dun fluide Panneau photovoltaïque => transformation de lénergie solaire en électricité Photo dune ailette isolée du capteur à lendroit et à lenvers. Source:

3 Schéma général dun capteur thermique Absorbeur => absorber lénergie solaire Caisson + isolant => diminuer les pertes thermiques Vitre => obtenir un effet de serre

4 Comportement des corps noirs Flux diffusé = flux réfléchi = 0 A léquilibre : flux émis = flux absorbé σ.E.T 4 = σ.T 4 Rayonnement : σ.E.T 4 = σ.T 4

5 Ecoulement turbulent Apparence désordonnée et comportement non-prévisible Avantages : Amélioration des transferts de chaleur Conditions de turbulence (dans un tuyau) : Nombre de Reynolds : Re= (Vitesse débitante * Diamètre) / viscosité cinématique Re > 2000 – 2500 ex: Diamètre=8mm débit = 57L/h

6 Flux dénergie solaire (1) Le rayonnement solaire est atténué lors de la traversée de latmosphère => au sol, lénergie solaire est inférieure à la Constante Solaire

7 Flux dénergie solaire (2) En fonction du jour et de lheure : la déclinaison = angle entre léquateur céleste et le soleil Position du soleil dépend de : - la hauteur (h) = angle entre lhorizontale et le soleil - lazimut (a) = angle entre le sud et le soleil

8 Flux dénergie solaire (3) Flux direct: - sur une surface perpendiculaire: - sur une surface dinclinaison i et dorientation : où β dépend de linclinaison, lorientation et la hauteur du soleil Flux diffus: (composé des rayons qui atteignent une surface après avoir été réfléchis) D*(0) est le le rayonnement de latmosphère et G*(0) le rayonnement solaire global sur un plan horizontal

9 Pertes au niveau de la piscine Evaporation : passage de molécules deau de létat liquide à létat gazeux Rayonnement : énergie émise dans toutes les directions par leau Convection : échange de chaleur entre lair et leau Conduction : négligée car les parois sont isolées thermiquement où V = la vitesse du vent ; p sat = pression partielle de la vapeur deau dans de lair saturé ; T p = température de la piscine ; T a = température de lair ; H R = humidité relative de lair ; L k = chaleur latente de vaporisation ; E eau = émissivité de leau ; E air = émissivité de lair ; h = coefficient déchange thermique

10 Pertes au niveau du capteur Rayonnement : Conduction: négligeable car capteur isolé thermiquement Convection : négligeable car faible

11 Capteur avec vitre Lutilisation de la vitre permet dobtenir un effet de serre Leffet de serre consiste à emprisonner lénergie apportée par le rayonnement solaire

12 Bilan thermique Puissance disponible (au niveau du capteur): Puissance dissipée (au niveau de la piscine): Température de sortie de leau: (1) -> Température de labsorbeur: Surface de capteur: (2) -> (1) (2)

13 Résultats de la modélisation Matlab pour le flux solaire (1) Graphiques de la hauteur du soleil en fonction de lheure solaire et de lazimut en fonction de lheure solaire pour le 21 juin.

14 Résultats de la modélisation Matlab pour le flux solaire (2)

15 Résultat de la modélisation Matlab pour le flux solaire (3) 21 juin à 12h : Flux direct = 1038 W/m² Flux diffus = 118,6 W/m² Flux global = 1156,6 W/m²

16 Code Matlab pour le bilan thermique Débit (L/h) Teau (°C) Text (°C) Évaporation (W/m²) Convection (W/m²) rayonnement (W/m²) Bilan Piscine (W/m²) Pertes Capteur (W/m²) Ts (°C) Surface Capteur (m²) ,5116,16-13,03118,34 27,8 52, ,5116, ,5 62, ,6493,5168,92-192,15194,82 35,4 131, ,6493,5168,92-192,15221,84334,42 Exemples : 1 Août (18h) Vent = 1 m/s Humidité = 30% Surface de piscine = 50 m² Inclinaison = Orientation = 0° Flux global = 436,34 W/m² 14h : Surface de capteur négative Piscine chauffe delle-même

17 Réalisation: matériaux Caisson: - en général -> en aluminium car nabsorbe pas leau et a une longue durée de vie - notre choix -> en bois car plus facile à manipuler et moins cher Isolation: - laine de verre et laine de roche: irritantes, conductivité = 0,04W/mK - mousse de polyuréthane: conductivité = 0,03W/mK - notre choix -> mousse de polyuréthane car plus facile à utiliser Absorbeur: - métaux: grande conductivité thermique - cuivre: assez cher, se corrode avec leau chlorée, facile à souder - aluminium: moins cher, ne se corrode pas mais difficile à souder - polymères: conductivité thermique faible - notre choix -> cuivre car conductivité thermique élevée plastique car représente le capteur le plus basique Vitre: - verre trempé antireflet : difficile à découper sans faire déclat - notre choix -> une vitre normale

18 Méthode expérimentale But : déterminer le meilleur type de capteur Méthode : - Comparaison des systèmes et des matériaux - Mesure de la température dans la piscine au cours du temps

19 Système en échelle en cuivre (1) Compromis: efficacité et prix Notre choix: Diamètre : 8mm Ecarts entre les tuyaux: 6,25 cm Rendement = 80 %

20 Système échelle en cuivre (2) Construction: - les tuyaux ont été assemblés par soudure - la plaque a été soudée sur lensemble des tuyaux - la plaque a été peinte en noire pour une meilleure absorption

21 Spirale en plastique Diamètre intérieur de 8mm (comme léchelle) Optimisation de la surface: enroulement du tuyau en plastique pour pouvoir obtenir une spirale Meilleure absorption =>peint en noir Fixation de la spirale sur la planche de bois grâce à une colle appropriée et renforcée à laide de clous en U

22 Système de deux plaques de cuivre (1) But : obtenir un écoulement turbulent => dispositions dobstacles sur le trajet de leau Trouver la meilleure disposition => différents tests découlement

23 Système de deux plaques de cuivre (2)

24 Système de deux plaques de cuivre (3) Construction: - obstacles pliés puis collés sur la plaque - les bords des deux plaques ont été soudés - arrivée deau grâce à un tuyau en plastique percé de petits trous attaché à la plaque avec du silicone - récupération de leau grâce à un tuyau percé de grands rectangles et attaché aux plaques avec du silicone Problème rencontré: - fuites aux quatre coins de la plaque

25 Tests effectués Type de capteurDébit (l/h)Augmentation de T° en °C Spirale PVC112,5 18, Spirale dans le caisson avec vitre 112,5 19,5 27 Echelle fixée sur plaque de cuivre (sans caisson) 112, ,5 Echelle fixée sur plaque de cuivre (avec caisson et vitre) Système de deux plaques de cuivre 112,5 19,5 28

26 Mise en situation réelle (1) Enoncé : Un habitant de Lasne (assimilé à Bruxelles) désire construire dans son jardin une piscine de 10 m de long, 5 m de large et 1.5 m de profondeur. De début juin à fin août, il souhaite se baigner laprès-midi (de 12h à 18h) dans une eau dont la température est supérieure à 27°C. Les conditions climatiques considérées sont : temps clair avec comme air ambiant une température extérieure supérieure à 20 °C et une humidité relative supérieure à 30 %, la vitesse du vent est inférieure à 2 m/s. On vous demande de proposer un système de chauffage de sa piscine par panneau solaire satisfaisant ses exigences. Votre proposition doit contenir la surface des panneaux solaires à utiliser, le débit de circulation de l'eau de la piscine dans le dispositif de chauffage et la structure des panneaux ainsi que les matériaux utilisés. Votre proposition doit être clairement argumentée, sur base des résultats des deux premières étapes du projet. Les problèmes de régulation du fonctionnement du dispositif ne doivent pas être considérés.

27 Mise en situation réelle (2)

28 Mise en situation réelle (3) Autre résultat: obtenu le 15 août à 16h

29 Mise en situation réelle (4) Spirale + Meilleur rapport qualité/prix + Prix faible : 45 + Facile à construire chez soi - Ne permet pas datteindre des températures élevées -> utilisation idéale pour le chauffage de piscines extérieures (température de leau faible) Système en cuivre + Permet dobtenir des températures élevées -> intéressant pour dautres applications (chauffage deau sanitaire) - Prix élevé ( échelle => 85 et plaques => 90 ) - Construction nécessitant un outillage spécifique - Besoin disolation Capteurs recommandés


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