Modélisation et réalisation d’un dispositif de chauffage d’une piscine par énergie solaire

Les différents capteurs solaires sur le marché Panneau photovoltaïque => transformation de l’énergie solaire en électricité Source: http://www.system-plus.fr/images/pannea.jpg Panneau solaire thermique => chauffage d’un fluide Photo d’une ailette isolée du capteur à l’endroit et à l’envers. Capteur exclusivement réservé pour le chauffage des piscines extérieures (en polyéthylène)  http://www.presence-pc.com/tests/Les-waterblocks-a-microstructures-108/2/

Schéma général d’un capteur thermique Absorbeur => absorber l’énergie solaire Caisson + isolant => diminuer les pertes thermiques Vitre => obtenir un effet de serre

Comportement des corps noirs Flux diffusé = flux réfléchi = 0 A l’équilibre : flux émis = flux absorbé Rayonnement : σ.E.T4 = σ.T4

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 http://www.presence-pc.com/tests/Les-waterblocks-a-microstructures-108/2/

Flux d’énergie solaire (1) Le rayonnement solaire est atténué lors de la traversée de l’atmosphère => au sol, l’énergie solaire est inférieure à la Constante Solaire

Flux d’énergie solaire (2) En fonction du jour et de l’heure : la déclinaison = angle entre l’équateur céleste et le soleil Position du soleil dépend de : la hauteur (h) = angle entre l’horizontale et le soleil l’azimut (a) = angle entre le sud et le soleil

Flux d’énergie solaire (3) Flux direct: - sur une surface perpendiculaire: - sur une surface d’inclinaison i et d’orientation  : où β dépend de l’inclinaison, l’orientation 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 l’atmosphère et G*(0) le rayonnement solaire global sur un plan horizontal

Pertes au niveau de la piscine Evaporation : passage de molécules d’eau de l’état liquide à l’état gazeux Rayonnement : énergie émise dans toutes les directions par l’eau Convection : échange de chaleur entre l’air et l’eau Conduction : négligée car les parois sont isolées thermiquement où V = la vitesse du vent ; psat= pression partielle de la vapeur d’eau dans de l’air saturé ; Tp= température de la piscine ; Ta = température de l’air ; HR = humidité relative de l’air ; Lk= chaleur latente de vaporisation ; Eeau= émissivité de l’eau ; Eair= émissivité de l’air ; h = coefficient d’échange thermique

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

Capteur avec vitre L’utilisation de la vitre permet d’obtenir un effet de serre L’effet de serre consiste à emprisonner l’énergie apportée par le rayonnement solaire

Bilan thermique Puissance disponible (au niveau du capteur): Puissance dissipée (au niveau de la piscine): (1) (2) Température de sortie de l’eau: (1) -> Température de l’absorbeur: Surface de capteur: (2) ->

Résultats de la modélisation Matlab pour le flux solaire (1) Graphiques de la hauteur du soleil en fonction de l’heure solaire et de l’azimut en fonction de l’heure solaire pour le 21 juin.

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

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

Code Matlab pour le bilan thermique 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 d’elle-même Débit (L/h) Teau (°C) Text Évaporation (W/m²) Convection rayonnement(W/m²) Bilan Piscine Pertes Capteur Ts Surface (m²) 1000 27 22 373 27,5 116,16 -13,03 118,34 27,85 2,15 500 -16 120 28,56 2,16 10 430,64 93,5 168,92 -192,15 194,82 35,41 31,38 221,8 43 34,42

Réalisation: matériaux Caisson: - en général -> en aluminium car n’absorbe pas l’eau 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 l’eau 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 d’éclat - notre choix -> une vitre normale

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

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

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

Spirale en plastique Diamètre intérieur de 8mm (comme l’échelle) 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 l’aide de clous en U

Système de deux plaques de cuivre (1) But : obtenir un écoulement turbulent => dispositions d’obstacles sur le trajet de l’eau Trouver la meilleure disposition => différents tests d’écoulement

Système de deux plaques de cuivre (2)

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

Tests effectués Type de capteur Débit (l/h) Augmentation de T° en °C Spirale PVC 112,5 18,528 45 1928 Spirale dans le caisson avec vitre 19,527 Echelle fixée sur plaque de cuivre (sans caisson) 1628,5 Echelle fixée sur plaque de cuivre (avec caisson et vitre) 25 1929 Système de deux plaques de cuivre 19,5  28

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 l’après-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.

Mise en situation réelle (2)

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

Mise en situation réelle (4) Capteurs recommandés Spirale + Meilleur rapport qualité/prix + Prix faible : 45€ + Facile à construire chez soi - Ne permet pas d’atteindre des températures élevées -> utilisation idéale pour le chauffage de piscines extérieures (température de l’eau faible) Système en cuivre + Permet d’obtenir des températures élevées -> intéressant pour d’autres applications (chauffage d’eau sanitaire) - Prix élevé ( échelle => 85€ et plaques => 90€ ) - Construction nécessitant un outillage spécifique - Besoin d’isolation