SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE SOLAIRE THERMIQUE présenté par Pascal Deremeaux ; Sylvie Sudnikowicz; Gilles Dorignac SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Manosque les Iscles 5 & 6 mars 2008 1 Manosque Les Iscles 1

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Solaire Thermique Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 2

Plan de l’intervention Introduction à l’énergie solaire, quelques définitions. Présentation du Chauffe Eau Solaire Individuel Exploitations pédagogiques Physique Appliquée Construction Mécanique Génie électrique, Electrotechnique Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 3

Rappels : Unités d’énergie Système international: le Joule J 4,18 J accroissent de 1°C un gramme d’eau Facture d’électricité : le kWh 1 kWh = 3600 000 J = 3,6 MJ Carburants : tonne équivalent pétrole tep 1 tep = 7 barils (159 l ou 140 kg) = 11 600 kWh SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Manosque les Iscles 5 & 6 mars 2008 4

Ressource énergétique solaire Consommation des activités humaines en 2002 : 140.1012 kWh (12 Gtep) Energie reçue à la surface de la terre : 720.1015 kWh Soit environ 6000 fois la consommation humaine ! Source : Situation énergétique à l’aube du 3ème millénaire - Revue 3EI Mars 2004 B.Multon Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 5

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Cartes de l’ensoleillement moyen traduisant le potentiel énergétique du solaire Selon les régions : L’énergie varie, par m², de 1100 à 2300 kWh/an, soit une puissance moyenne (répartie sur l’année en tenant compte des alternances Jour/nuit et des périodes nuageuses) de 100 à 260 W/m² et une puissance crête de 1 kW/m² Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 6

Plan de l’intervention Introduction à l’énergie solaire, quelques définitions. Présentation du Chauffe Eau Solaire Individuel Exploitations pédagogiques Physique Appliquée Construction Mécanique Génie électrique, Electrotechnique Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 7

Aspect Fonctionnel - Quels sont les besoins ? Programme Energie Solaire Energie Electrique Régulation R C W Produire de l’Eau Chaude Sanitaire Eau chaude Eau froide Chauffe Eau Solaire Individuel Pertes Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 8

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Systèmes monoblocs - Ensemble Capteur / Ballon fonctionnant de manière autonome. - La chaleur est transférée jusqu’au stock qui est situé au dessus du capteur. - La position du ballon ne permet pas d’intégrer une source d’énergie d’appoint. - Dans les climats froids, les canalisations risquent de geler. - Matériel plutôt adapté aux pays tropicaux. Volume des ballons peu importants - Systèmes simples, pas trop chers, aux performances correctes, mais difficilement intégrable de manière esthétique. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 9

Chauffe Eau Solaire à éléments séparés et convection forcée Collecte de l’énergie solaire : capteurs solaires Stockage sous forme d’eau chaude : ballon Transfert de l’énergie thermique captée : échangeur Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 10

Principes de base du Chauffe Eau Solaire Individuel (CESI) La partie solaire se trouve en partie basse du ballon et l’appoint en partie haute. La stratification permet d’obtenir une température dans le haut du ballon la plus élevée possible ce qui a pour conséquence de diminuer l’énergie d’appoint. Une température plus basse dans le bas du ballon améliore le rendement du capteur. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 11

Configuration de l’installation Surface de capteurs de 4 m² Puisage de 250 litres/jour, ballon de 300 litres Une installation solaire bien dimensionnée(collecteur 4-6 m², réservoir tampon de 300 litres) couvre environ 60% à 65 % du besoin en eau chaude d’un ménage de 4 personnes sur une année. Ressources : ADEME – Validation : Logiciel SOLO Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 12

Fonctionnement du CESI Le circulateur ne doit être enclenché que lorsque le capteur est plus chaud que la partie inférieure de l’accumulateur, ceci afin que la chaleur aille toujours du capteur vers l’accumulateur. Pour assurer cette fonction, on installe une régulation par température différentielle. Sonde Capteurs Sonde accumulateur Régulateur par température différentielle Alimentation électrique du régulateur Raccordement des sondes Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 13

Accès à distance au système « Banc ECS » Accès au système via « Internet Explorer » par un coupleur WEB intégré http://bancecs.lyc-gillesdegennes.ac-aix-marseille.fr Fichiers historiques (exemple : 10 jours de fonctionnement avec un enregistrement toutes les 10 min de 42 variables) Capacité de stockage : 1 Mo Période minimum d’enregistrement des mesures : 1 seconde Alarmes : 1000 (seuil, changement d’états) Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 14

Plan de l’intervention Introduction à l’énergie solaire, quelques définitions. Présentation du Chauffe Eau Solaire Individuel Exploitations pédagogiques Physique Appliquée Construction Mécanique Génie électrique, Electrotechnique Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 15

Exploitation pédagogique en physique appliquée Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 16

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Schéma de principe d’un système de production d’Eau Chaude Sanitaire (CESI) Énergie rendement Lumière rayonnement Effet de serre Ecoulement circulation Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 17

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Absorption Effet de serre Absorbeur Isolation Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 18

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE “chaleur” “température” Grandeur macroscopique Transfert d’agitation thermique SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Manosque les Iscles 5 & 6 mars 2008 19

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Echanges thermiques Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 20

Transfert de chaleur par conduction objectif : transmission dans les milieux, par conduction, sans transfert de matière, et mise en évidence les différences de conductivité thermique des milieux Expérience n° 1 : Expérience n° 2 : Expérience n° 3 : Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 21

Transfert de chaleur par convection objectif : transmission dans les milieux avec transfert de matière. Expérience n° 1 : Expérience n° 2 :. SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Manosque les Iscles 5 & 6 mars 2008 22

Transfert de chaleur par rayonnement Expérience n° 1 : Expérience n° 2 : Expérience n° 3 : Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 23

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE LE RAYONNEMENT Lequel des deux personnages aura le plus chaud au cours d'une belle journée ensoleillée d'été : Jessica, habillée de blanc, ou Fanny, habillée de noir? Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 24

Quelques chiffres à T = 300 K a = absorptivité hémisphérique globale  = émissivité hémisphérique Matériau a  corps noir 1 0 carton goudronné noir 0,82 0,91 Brique rouge 0,75 0,93 Neige propre 0,20 0,95 Chrome noir sur cuivre 0,95 0,12 aluminium poli 0,10 0,07 Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 25

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE II - Effet de serre – expériences : Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 26

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Analyse d’ images obtenues à la caméra infrarouge Image thermique obtenue directement sur le poêle à bois Image thermique obtenue sur la fenêtre face au poêle à bois Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 28

Rendement d’un capteur solaire =  0 - a1.(T/H) - a2.T2 avec T= Tm - Te : rendement du capteur 0, a1, a2 : coefficients identifiés par la norme NF EN 12975-1, fournis par le fabricant.  0 est sans dimension, a1, a2 s’expriment en [W.m-2.K] Tm : température moyenne du capteur solaire, calculée par la moyenne arithmétique des températures en entrée et en sortie de l’absorbeur en [K] Te : température ambiante des capteurs, soit la température extérieure sous abris en [°C] H: irradiance [W.m-2] Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 29

Influence de la température sur le rendement du capteur solaire Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 30

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Recherche des points chauds par caméra infrarouge Point chaud au niveau d’une vanne Point chaud au niveau d’un raccord SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Manosque les Iscles 5 & 6 mars 2008 33

Images thermiques au niveau du capteur solaire Fenêtre ouverte Fenêtre fermée avec rideau non baissé complétement Capteur solaire = piège à chaleur SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Manosque les Iscles 5 & 6 mars 2008 34

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Étonnante image du Soleil obtenue en mai 1998 par l'observatoire spatial Soho. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 35

TP(s) Construction mécanique Objectif Activité 1° Partie Lecture de dessin 2° Partie Calculer une Puissance (thermique) Relevé de mesure adéquat Calcul d’une puissance thermique Calculer un Rendement Calcul du rendement du capteur plan 3° Partie Etablir Bilan énergétique Calcul du bilan énergétique du système complet Taux de couverture Calcul du taux de couverture sur une période définie Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 36

Exploitations Pédagogiques Génie Mécanique « Electrotechnique » Niveau : Première et Terminale ESTI Compétences attendues : - Etablir le bilan énergétique du système «Chauffe Eau Solaire Individuel» Valider par la mesure les prévisions effectuées par simulation Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 37

Le bilan sera dans un premier temps fait sur les périodes suivantes Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 38

Calcul de l’énergie solaire reçue Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 39

Décomposition de la chaine d’énergie Echanger l’énergie calorifique Stocker l’énergie calorifique Transporter l’énergie calorifique Convertir l’énergie électrique Appoint Panneaux solaires Echangeur Fluide caloporteur Circulateur Tuyaux Ballon ECS ECS Pertes Chaine d’énergie Solaire Appoint électrique dans notre cas Convertir l’énergie solaire Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 40 40

Bilan sur le mois d’été Chaine d’énergie Solaire Echanger l’énergie calorifique Stocker l’énergie calorifique Transporter l’énergie calorifique Convertir l’énergie électrique Appoint Panneaux solaires Echangeur Fluide caloporteur Circulateur Tuyaux Ballon ECS ECS Pertes Chaine d’énergie Solaire Appoint électrique dans notre cas Convertir l’énergie solaire NRJ-SOL NRJ-PRODUITE NRJ-SOUTIREE NRJ-APPOINT NRJ-SOLAIRE calculée Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 41

Bilan sur le mois d’été Chaine d’énergie Solaire Echanger l’énergie calorifique Stocker l’énergie calorifique Transporter l’énergie calorifique Convertir l’énergie électrique Appoint Panneaux solaires Echangeur Fluide caloporteur Circulateur Tuyaux Ballon ECS ECS Pertes Chaine d’énergie Solaire Appoint électrique dans notre cas Convertir l’énergie solaire 230 KWh 280 KWh 265 KWh 54 KWh 1495 KWh Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 42 42

SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE Le taux de couverture Le taux de couverture solaire est le rapport entre l'énergie fournie par la partie solaire d'une installation et la fourniture totale de l'installation Le concept de Garantie des Résultats Solaires (GRS) appliqué au chauffage de l'eau sanitaire, veut dire qu'un système solaire doit fournir une quantité minimum d'énergie chaque année pour une consommation d'eau chaude donnée. Si l'énergie fournie est moindre que l'énergie garantie, les signataires du contrat doit dédommager le client. L’outil Solo2000 permet de calculer une base contractuelle. L’installateur s’engage à obtenir 90% des résultats calculés. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 43

Paramétrage du logiciel SOLO2000 Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 44

Calcul du taux de couverture pour nos périodes de mesure Analyse des résultats Calcul du taux de couverture pour nos périodes de mesure Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 45

Exploitations pédagogique en STI Electrotechnique Niveau : Première et Terminale ESTI Compétences attendues : - Identifier les principaux constituants du système «Chauffe Eau Solaire Individuel» Expliquer simplement le principe de fonctionnement d’un tel système et valider son fonctionnement par des mesures. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 46

Activité 1 sur le système « Banc ECS » Identifier les principaux composants du système. Travail autonome sur le système, à l’aide d’un schéma de principe Eau Froide 2 kW R Puisages ECS Q T C 2 3 4 14 8 13 Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 47

Activité 1 : Document utilisé Mitigeur Clapet anti retour Purgeur d’air Soupape de sécurité Groupe de sécurité Echangeur Vanne de réglage Sens de circulation Vanne d’arrêt fermée Vase d’expansion Vanne d’arrêt ouverte Circulateur Sonde de régulation Compteur d’eau Régulation Compteur d’énergie Manomètre Débitmètre Sonde de température Détecteur crépusculaire C R Q T D Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 48

Activité 1 : Tableau à remplir Numéro du composant Nom du composant Rôle du composant 1 Mitigeur Fournir, en sortie, de l’eau à une température préréglée, constante 2 Purgeur d’air Chasser l’air du circuit, au moment du remplissage de ce dernier 3 Groupe de sécurité Eviter la surpression dans les ballons d’eau chaude. 4 Vanne de réglage Régler un débit maximum dans une branche d’un circuit hydraulique. 5 Vanne d’arrêt ouverte Autorise le passage du fluide dans une branche du circuit hydraulique. 6 Vanne d’arrêt fermée Interdire le passage du fluide dans une branche du circuit hydraulique. 7 Sonde de régulation Mesurer une température et la fournir au régulateur. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 49

Activité 2 sur le système « Banc ECS » 2. Evaluer les énergies mises en jeu dans le système « CESI » Calcul énergétique appliquée au Chauffe Eau Solaire Individuel On vous demande de calculer l’énergie (en Joule et en kWh) nécessaire pour faire passer la température des 300 litres d’eau du ballon de 20°C à 55°C ? (1 litre d’eau pèse 1kg et 1 Wh = 3600 Joule). Q = m c T Q : énergie thermique en joules (J) m : masse de la substance en grammes (kg) T : variation de température en Kelvin (K) c : chaleur massique (ou capacité thermique massique). en J/kg.K Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 50

Activité 3 sur le système « Banc ECS » 3. Représenter par un chronogramme le fonctionnement de la régulation. Essai sur le système avec mise en évidence de la régulation différentielle Arrêt Marche Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 51

Activité 4 sur le système « Banc ECS » 4. Effectuer les mesures relatives au bon fonctionnement du système Mesures sur les compteurs d’énergies, températures, après un soutirage Mesure des températures d’eau froide, eau chaude, du débit d’eau chaude sanitaire AVANT et APRES un soutirage de 10 minutes. Calculer l’énergie distribuée à partir des valeurs instantanées et comparer avec les relevés d’index des compteurs d’énergie. Manosque les Iscles SÉMINAIRE BACCALAURÉAT GÉNIE ÉLECTROTECHNIQUE 5 & 6 mars 2008 52