Capteur Solaires Thermiques Notes de Cours Capteur Solaires Thermiques Présentées par le professeur A. Elanique Licence professionnelle ERDD, 2009-2010

Plan du cours Généralités Gisement solaire et données climatiques Rappels sur les transferts de chaleur Types de capteur Capteur solaire plan Application à la production d’ECS

Introduction : Un «système» solaire est généralement constitué de 3 parties au moins. Nous venons d’analyser la fonction «Captage» de l’énergie solaire, nous allons maintenant envisager tour à tour les autres composants ou sous systèmes. Intermittence de la ressource Inadéquation entre l’offre « solaire » et la demande d’énergie Déphasage avec le besoin Nécessité du stockage Chaleur sensible Chaleur latente

Introduction : Un «système» solaire est généralement constitué de 3 parties au moins. Nous venons d’analyser la fonction «Captage» de l’énergie solaire, nous allons maintenant envisager tour à tour les autres composants ou sous systèmes. 6 12 18 24 Puissance + _ Apports solaire Charge thermique Énergie Apports Besoins Mois Heure solaire 1 2 4 6 8 10 12 Apports et besoins en une journée. Apports et besoins en une année.

Introduction : Nous n’abordons que le Stockage direct de l’énergie solaire sous forme de chaleur. Le stockage indirecte (transformation de l’énergie en énergie électrique par ex. ) est exclut. Chaleur sensible Chaleur latente La chaleur stockée augmente la température du corps récepteur situé dans le réservoir (Liquide, Solide ou gaz), sans changement d’état pour ce dernier. La chaleur stockée entraîne un changement d’état du corps récepteur (Solide – liquide par ex.); la restitution de la chaleur correspond au changement d’état inverse. → Le stockage par chaleur sensible intervient dans la grande majorité des réalisations actuelles utilisant l’énergie solaire.

6.1. Application aux Chauffe-eau solaire individuel CESI:

6.1. Application aux Chauffe-eau solaire individuel CESI: Exemple de système passif: le Mouvement du fluide caloporteur se produit naturellement (convection naturelle) sans circulateur. Exemple de système actif: le Mouvement du fluide caloporteur se nécessite un circulateur.

6.1.1. Les CESI thermosiphon kit monobloc: Les systèmes monobloc sont des ensembles capteur/ballon simples et complets qui fonctionnent de manière autonome. Leur branchement est extrêmement simple. L'échauffement du fluide, lorsque l'ensoleillement est suffisant entraîne la mise en mouvement de ce dernier (différence de masse volumique due à la variation de température). La chaleur est donc transférée jusqu'au stock (au maximum de 150 à 180 litres) qui est situé juste au dessus du capteur. Dans les climats froids, les canalisations aller et retour risquent de geler. Ce type de matériel est plutôt adapté aux pays tropicaux, où l'énergie d'appoint n'est pas nécessaire. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire de disposer d'un circuit primaire antigel.

6.1.2. Chauffe-eau à éléments séparés (convection naturelle ou thermosiphon):  Le principe de fonctionnement réside sur la différence de masse volumique générée par la montée en température dans le capteur, qui va mettre en mouvement le fluide caloporteur. Cette technique ne demande ni pièce mécanique (circulateur), ni régulation.  Le dimensionnement de ce type d'installations doit être effectué de manières à réduire au maximum les pertes de charges dans le circuit. La mise en circulation du fluide s'effectue en général pour des différences de températures (capteur/ballon) de l'ordre de 15°C, ce qui fait que les performances de ces procédés sont relativement réduites en hiver (fortes déperditions, mauvais rendement).  Le thermosiphon est en principe utilisé pour des installations de taille modeste (chauffe-eau solaire individuel de quelques m²).

6.1.3. CESI à éléments séparés et convection forcée :  Souvent utilisé dans les pays froids ou dans le cas d’installations collectives.  le ballon peut se placer n'importe où dans l'habitation.  Ces systèmes possèdent une régulation qui enclenche le circulateur dès que l'énergie solaire est disponible, ce qui permet des performances supérieures aux systèmes en thermosiphon.  La taille de ces CES va de quelques mètres carrés pour les installations individuelles à plusieurs centaines de m² pour la production d'eau chaude solaire collective.

6.1.3. CESI à éléments séparés et convection forcée :

6.1. Application aux Chauffe-eau solaire individuel CESI:

6.1. CESI : Principaux composants

6.2. Composants du CES "classique" : La plupart des composants (circulateurs, vannes, soupape de sécurité, purgeurs, vase d'expansion, sondes,…) sont analogues à ceux utilisés classiquement en génie climatique. Il faut par contre faire attention à sélectionner des composants qui peuvent résister aux hautes températures pouvant être atteinte, particulièrement en été, et adopter quelques particularités de montage 6.2.1. Circulateur : Employée dans les systèmes à circulation forcée, ils sont symbolisés par: Exigences : - pression de fonctionnement sur le circulateur supérieure à 1 bar pour éviter le phénomène de cavitation lorsque la température du circuit est élevée. - doit résister à des températures dépassant les 100°C. Puissance électrique ne dépassera pas 50 W ou 2% de puissance calorifique max délivrable par les capteurs.  Choix : - circulateur standard de chauffage - le circulateur sera installé sur la conduite de retour au capteur - il comprendra trois vitesses permettant d'ajuster au mieux le débit de circulation du fluide antigel. Débit Constant Débit variables

6.2. Composants du CES "classique" : 6.2.1. Circulateur : Le circulateur permet la circulation du liquide caloporteur entre les capteurs et l’échangeur du ballon. Il est commandé par la régulation solaire. Les circulateurs placés dans les circuits de chauffage central conviennent bien, mais sont en général trop puissants. Or, la vitesse du fluide caloporteur ne doit pas être trop rapide, car l’eau chaude venant du capteur n’aura que peu de temps pour céder ses calories dans le ballon ; elle reviendra encore chaude vers le capteur et celui-ci fonctionnera avec un mauvais rendement.

6.2.1. Circulateur : a) Pertes de charge: Les frottements du fluide Caloporteur dans les canalisations entraînent des pertes de charge qui sont fonction principalement de la vitesse d’écoulement du fluide. En cas d’écoulement en convection forcée, la connaissance de ces pertes de charge est nécessaire pour déterminer la puissance de la pompe (circulateur). Les pertes sont de deux types dans une boucle fermée: Pertes de charge singulières (Coudes, étranglements, etc.); Pertes de charge en ligne. DP: pertes de charges, lc : facteur de pertes de charges, r : masse volumique du fluide, V: vitesse d’écoulement du fluide, L: longueur de canalisation, D: diamètre de la canalisation.

6.2.1. Circulateur : a) Pertes de charge: (exemple numérique) lc = 0.1 r = 1000 kg/m3 V = 0.1 m/s L = 40 m D = 0.01 m b) Puissance de la pompe: DP: pertes de charges (en mètres d’eau), Pp : puissance de la pompe, V: vitesse d’écoulement du fluide, h : rendement de la pompe,

6.2.1. Circulateur : b) Puissance de la pompe: (exemple numérique) q = 0.04 kg/s (144 l/h) DP = 1 m h = 0.5 Un circulateur de 15 à 20 Watts sera presque largement suffisant; Devra supporter une température maximum de 100°C; Ne pas être attaqué par l’antigel (Climat froid); Doit fonctionner lorsque l’eau est à la fois: Suffisamment chaude dans le capteur; Pas assez chaude dans le réservoir.

6.2.2 Vase d’expansion : Fonction: L’eau se dilate en chauffant. Pour éviter que l’installation n’éclate, on ajoute une vase d’expansion Fonction: Il permet de : maintenir la pression dans le circuit même lorsque les températures extérieures sont très bases (rétraction du fluide), d'absorber le volume supplémentaire de fluide dans le circuit solaire lors de la dilatation de celui-ci avec la montée en température du circuit, d'absorber le volume contenu dans le capteur en cas de vaporisation.

6.2.3 Ballon Solaire : Exigences: - ballon isolé pour conserver la chaleur avec une jaquette en mousse de polyuréthane souple d'au moins 80 mm d'épaisseur ou 50 mm de laine minérale. - ballon composé de matériau résistant à la corrosion et au dépôt de calcaire ainsi qu'aux températures proches des 100°C. Réservoir sans échangeur (à alimentation directe par le réseau); Réservoir avec échangeur L’échangeur joue le rôle d’un radiateur: l’eau chaude venant du capteur perdra une partie de ses calories pour chauffer l’eau plus froide du réservoir. L’échangeur sera donc placé dans le bas du ballon, où l’eau est la plus froide.

6.2.4. La soupape de sécurité Fonction: Évite la surpression dans le capteur lors d'une montée en température de l'installation provoquée par un arrêt accidentel (coupure de courant) du circulateur. Le ressort maintient une certaine pression dans le circuit et laisse s'échapper le fluide si celle-ci augmente trop.

6.2.5. Le manomètre Fonction: Indique la pression du circuit et permet son contrôle Exigence : Doit supporter et indiquer la pression dans la plage de fonctionnement. La plage de mesure doit être plus grande que la pression effective d'ouverture de la soupape de sécurité .

6.2.6. Les Vannes Fonction: Les vannes permettent la vidange et la mise en fluide du circuit. Elles peuvent aussi permettre d'isoler certaines pièces sur les circuits plus complexes. Les vannes 1/4 de tour à sphères ont l'avantage d'avoir de faibles pertes de charge.

6.2.7. Les Purgeurs Fonction: Permet d'évacuer l'air du circuit solaire. Le purgeur automatique est à proscrire sur les circuits remplis de fluide antigel, car il laisse échapper la vapeur qui peut se former dans les capteurs en cas d'arrêt du circulateur lors de fort ensoleillement. De plus, les fluides antigel cristallisent facilement au contact de l'air et peuvent bloquer les parties mobiles des purgeurs automatiques. La position idéale des purgeurs se trouve à l'endroit le plus élevé de l'installation.

6.2.7. Les Sondes de température Fonction: Mesure la température aux différents endroits du circuit. Les sondes transmettent un signal électrique qui est fonction de la température mesurée : - les résistances métalliques (platine ou nickel) ont leur résistance qui augmente quasi proportionnellement à la température.

6.2.7. Le Clapet anti-retour: Fonction: Dans certains circuits, l’eau risque de se mettre à circuler en sens inverse lorsque la température de l’eau dans le ballon est supérieure à celle de l’eau dans le capteur (la nuit par exemple). Le ballon perd toute l'énergie accumulée pendant la journée. On place alors un Clapet anti-retour dans le circuit.

6.2.8. Circuits Hydrauliques: Les raccords hydraulique chauds et froids seront les plus cours possibles, même dans le cas où le ballon est séparé. Ils devront respecter les conditions suivantes: Le matériau des conduites sera compatible (électro chimiquement) avec ceux du capteur et du ballon. But: prévenir toute corrosion accélérée par effet de pile: De préférence, le cuivre pour les conduites rigides, du laiton pour les raccords, du PEHD dans le cas conduite souples et du PVC pour les raccords. les conduites d’eau chaude seront isolées thermiquement moyennant une épaisseur (10 mm au moins pour une conductivité 0.04 W/m.K) L’isolant des conduites situées à l’extérieur sera protégé contre les aléas extérieus (pluie, UV,..); Pas de coudes à 90°.

6.3. La Régulation: La régulation a pour fonction de commander (On/OFF) le circulateur. 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 REGULATEUR qui mesure constamment Tc : température des capteurs Tb : température du ballon Un comparateur intégré au régulateur calcule la valeur correspondant à l’écart de température (Tc – Tb) (Sortie capteur ; Bas du ballon) : ΔT.

6.3. La Régulation: Le circulateur démarre lorsque La valeur calculée ΔT est alors comparée aux différentiels d’arrêt DA et de démarrage DD : Le circulateur démarre lorsque ΔT = Tc - Tb ≥ DD = différentiel de démarrage Le circulateur s’arrête lorsque ΔT = Tc - Tb ≤ DA = différentiel d'arrêt Les valeurs de DD et DA sont parfois réglables par l’installateur.

Exemple de fonctionnement:

Régulation : Analyse de la courbe des températures La figure précédente (p.28) montre le fonctionnement d’un système de régulation. Partant de l’instant t0=08:00, La pompe est en Arrêt puisque (Tc-Tb) vaut (21- 40) =-19°C < DA=2°C, le capteur s’échauffe jusqu’à ce que (Tc-Tb) atteigne la valeur DD=6°C au temps t 1=08:30min, la pompe se met alors en Marche ((Tc-Tb) = 6°C). La chaleur stockée dans l’eau et les différents éléments du capteur est évacuée vers le volume de stockage. A l’instant t 2 , la différence ((Tc-Tb) = 2°C) d’où l’Arrêt de la pompe. Permettant ainsi au capteur de récupérer de la chaleur ( =>Tc ↑) jusqu’à l’instant t3 où (Tc-Tb) atteigne de nouveau la valeur DD=6°C , la pompe met en Marche et ainsi de suite. Enfin, si Tc est assez élevée pour que ((Tc-Tb) ≥ DD=6°C) soit toujours vérifiée, la pompe ne s’arrête pas (cas où t ≥ t5).

6.4. Système d’Appoint: Appoint Le système d’appoint est sollicité lorsque le système solaire ne permet plus de délivrer la quantité d’énergie nécessaire (au niveau de température requis). Il est presque toujours nécessaire d’avoir une source d’énergie d’Appoint dans les systèmes solaires. Cette énergie d’appoint est généralement apportée par une source de chaleur traditionnelle, chaudière électrique, à gaz ou à fuel. Appoint Fig. 30: Couplage de l’appoint au ballon de stockage

6.5. Couplage hydraulique: // ; série On distingue de couplage en parallèle et en série. Le couplage en parallèle permet d'augmenter la quantité de chaleur utile récupérée, la température de sortie du fluide caloporteur étant intacte. Dans le cas de couplage en série, la température de sortie du premier capteur est celle d'entrée du deuxième, ce qui influence son rendement et la chaleur utile. La température de sortie du capteur peut être calculée à partir de l'équation suivante :

6.5. Couplage hydraulique: // ; série Fig. : Exemples des couplages de capteurs

6.5. Couplage hydraulique: // ; série Fig. : Exemples des couplages de capteurs en série

6.5. Couplage hydraulique: // ; série Fig. : Exemples des couplages de capteurs en série parallèle

6.5. Couplage hydraulique: // ; série Fig. : Exemples des couplages de capteurs

6.4. Symboles des composants

7. Symboles des composants