Energie Energie solaire

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1 Energie Energie solaire Réf : Français p 1 Ballon-échangeur et capteur solaire Version : 1109

2 1 Chauffe-eau solaire 1.1 Principe de fonctionnement - généralités Un chauffe-eau solaire consiste à coupler des capteurs solaires thermiques à un ballon de stockage d eau. Un capteur solaire est constitué d une surface (idéalement sombre) absorbant le rayonnement solaire et sous laquelle circule de l eau à chauffer (ou de l air). Il convertit l énergie solaire (rayonnement) en chaleur. Il existe de nombreux types de capteurs solaires. Il faut les choisir en fonction des besoins. Par exemple, pour une habitation, on utilisera un capteur thermique à eau tandis que pour une climatisation en industrie, on fera appel à un capteur solaire sous vide Capteur thermique à eau : principe Dans le cas des capteurs thermiques à eau, de l'eau circule dans des tubes soumis au rayonnement solaire. Ce fluide caloriporteur absorbe l énergie lumineuse, chauffe et transmet sa chaleur à l eau domestique stockée dans un ballon isotherme. L eau qui a cédé sa chaleur repart vers le capteur pour un nouveau cycle. Pour obtenir un meilleur rendement, l'ensemble peut être placé dans une boîte vitrée isolante afin d'obtenir un effet de serre et ainsi limiter les pertes de chaleur. Carte : ADEME Rendement des capteurs solaires La France a été découpée en 4 zones climatiques, 1 à 4, dont l exposition s accroît du Nord au Sud. La carte ci-après montre la répartition des départements entre ces quatre zones. Les départements du nord reçoivent 30 à 40% de soleil en moins que ceux du littoral méditerranéen : il en sera de même pour le rendement du chauffe-eau solaire. Carte : ADEME De manière générale, le rendement des capteurs thermiques est d environ 80%. L énergie solaire peut aussi servir à chauffer les habitations. Dans ce cas, le système a une double fonction de chauffage et de production d eau chaude. L énergie solaire est intéressante dans toutes les régions même si le sud de la France bénéficie de 35 à 50% de rayonnement solaire de plus que le nord Surface de capteur à prévoir Afin de déterminer la taille du capteur à installer, il faut tenir compte de plusieurs paramètres : o o o o Ensoleillement Nombre de personnes dans l habitat Utilisation : eau chaude sanitaire ou eau chaude sanitaire + chauffage Besoins : en appoint d une chaudière ou alors en autonomie l été par l exemple. FRANÇAIS 1

3 A titre d exemple : pour couvrir tous les besoins d une famille de 4 personnes habitant dans le quart nord de la France, il faudra un capteur de 3,5 à 5 m² et un ballon de 250 à 400 litres d eau. Ci-dessous une image met en évidence le dispositif le plus souvent rencontré dans les habitations. Image : ADEME 1.2 Présentation générale L ensemble didactique reprend le principe de fonctionnement d un capteur d un chauffe-eau solaire. Il est composé d éléments facilement démontables et interchangeables permettant un travail d investigation par les élèves. Les centres d intérêt développés traitent des propriétés des matériaux, de la forme, de la couleur de l objet technique, de l effet de serre... Parallèlement à une sensibilisation aux problématiques de développement durable, l approche expérimentale s inscrit dans une situation problème globale centrée sur la récupération efficace de l énergie solaire. Exemple de situation problème : Quel est le dispositif optimal pour chauffer un volume d eau donné? Un seul ensemble didactique permet de faire travailler 3 groupes en parallèle suivant une démarche d investigation. On peut donc envisager une organisation de la classe sous forme de pôles indépendants travaillant sur différents centres d intérêt. Chaque groupe peut préparer une synthèse de ses investigations sur la compréhension de l objet technique. Synthèse qui sera exposée à la classe afin de comparer les rendements et évaluer les meilleures solutions. 1.3 Description (1) (2) Le dispositif est compsé des éléments suivants (voir figure ci-dessous): - 3 châssis à monter (1) - 6 nourrices à 6 entrées/sorties - 2 tubes en cuivre de 500 mm de longueur (à découper) - 2 tubes en plastique de 500 mm de longueur (à découper) - 3 plaques échangeur. On parle aussi d absorbeur - 6 bouchons - 1 plaque de plexiglas - 1 seringue - 6 tubes en verre 100 mm (2) FRANÇAIS 2

4 Tube en plastique : 500 mm (x2) Tube en cuivre : 500 mm (x2) Nourrice (x6) Seringue (x1) Absorbeur (x 3) Bouchon (x6) Les études vont porter sur différents phénomènes physiques : - La conduction thermique en fonction des matériaux. 3 types de matériaux sont fournis (métal, plastique, verre). - Il est possible de fermer le châssis à l aide d une plaque de plexiglas. Cela permet de tester l impact de l effet de serre sur la température de l eau dans le «circuit». - L absorption de la chaleur du soleil par une plaque «échangeur» est observable. On note aussi que la couleur de la plaque a une influence sur son absorption, ainsi en la peignant en noir, on mesure une température plus élevée en sortie du capteur solaire. - Observer l'impact d'un isolant (non fourni) dans le châssis. L isolant participe à la conservation de la chaleur, on améliore le rendement du capteur solaire. 1.4 Montage de la maquette Etape 1 : Monter le châssis : feuille noire à plier. Etape 2 : Passer une nourrice par chacun des deux accès latéraux. Etape 3 : Relier les 2 nourrices par les tubes de 100 mm, Ø 6mm. o 5 tubes en verre sont fournis à dimensions. o Les tubes en cuivre et plastique sont proposés prêts à découper en longueur de 500 mm (2 en cuivre et 2 en plastique). Un simple coupetube à mollette permet de les débiter facilement en longueur de 100 mm FRANÇAIS 3

5 Etape 4 : Afin de réaliser le montage le plus simple, on injecte l eau à l aide de la seringue fournie, on bouche avec un bouchon un des côtés. On insère ensuite un thermomètre dans la nourrice libre. Comme on peut le voir sur cette photographie : Thermomètre Bouchon Etape 5 : Utiliser une ampoule à incandescence (non fournie) pour remplacer le soleil (voir 1.7). L idéal est de la positionner à 10 cm du capteur solaire (attention à son orientation : le spot lumineux doit être centré sur le capteur pour un meilleur résultat). Le montage est alors terminé, l expérience peut commencer. Quelques remarques : Le volume d eau dans le «circuit» est faible. Cela présente l avantage de limiter les incidents liés à la manipulation d eau mais surtout d arriver à des temps de manipulation relativement courts. On peut réaliser les mesures de température avec un thermomètre ou avec un capteur ExAO. Ce dernier aura pour but de faire manipuler un dispositif assisté par ordinateur et permettre un relevé de mesures plus régulier, complété par le traçage des courbes (ex. avec le logiciel Atelier scientifique). 1.5 Premières mesures Afin de réaliser les premières mesures de température, il est très important d avoir un point de comparaison. Dans ce but, prévoir un bécher dans lequel on plongera un thermomètre (non fourni) qui nous donnera la température de référence. Temps (min) Température de référence ( C) Température en sortie du capteur solaire ( C) Calculer le rendement thermique ŋ grâce à la relation suivante : ŋ = T1 1 T 2 FRANÇAIS 4

6 1.6 Exemple d activités Propriétés thermique des matériaux Afin de tester les propriétés thermiques des matériaux, on réalisera l expérience précédente en utilisant tour à tour les différents tubes proposés (verre, cuivre, plastique). On pourra conclure sur le matériau présentant le meilleur rendement et ainsi en déduire lequel d entre eux a la meilleure conductivité thermique Rôle de l absorbeur On teste ici à la fois l augmentation de la surface d échange mais également l importance de la couleur. Comme on le sait, le noir absorbe la chaleur. Mais vérifions-le! On pourra, peindre l absorbeur de différentes couleurs (blanc ou noir par ex.) et réaliser l expérience de départ. Le calcul du rendement thermique et/ou le tracé de l évolution de la température en fonction du temps mettra en évidence une augmentation de température dans le circuit plus importante et plus rapide Effet de serre (utilisation de la plaque transparente) Observons l effet de serre!!! Le kit comprend une plaque de plexiglas à découper qui permet d obtenir 3 plaques de 140x96 mm. La plaque découpée permet de recouvrir le châssis de façon à ce que le capteur solaire soit soumis à un effet de serre. En réalisant l expérience de mesures de température en fonction du temps, on devrait observer graphiquement une augmentation de température plus rapide et plus élevée. Le rendement est amélioré lorsque l on soumet le capteur au rayonnement solaire, le résultat peut être moins probant avec l utilisation d une lampe à incandescence (voir 1.7) ExAO en remplaçant le thermomètre classique par un thermomètre ExAO Il est possible, plutôt que d utiliser un thermomètre classique, d utiliser le thermomètre ExAO. Ce dernier facilite la prise de mesure et le tracé des courbes. De plus, le logiciel fourni aide à la présentation des données graphiques pour la rédaction du compte rendu d expérience Comparer lampe à LED et ampoule à incandescence (non fournies) On pourra ici mettre en évidence l influence de la source lumineuse en procédant à l expérience de référence avec chacune des sources : LED et ampoule à incandescence Isoler le dispositif On notera également, afin de pousser la réflexion, qu en insérant un isolant dans le châssis sous l absorbeur, on améliore sensiblement le rendement (isolant non fourni). Cet aspect permet d aborder le rôle des matériaux isolants thermiques. FRANÇAIS 5

7 1.7 Limites du modèle Dans un cas idéal, on travaillerait en lumière blanche (en extérieur). Pour des raisons d organisation, on travaille en classe le plus souvent avec une lampe à incandescence. En conséquence, l augmentation de température mesurée est liée au rayonnement thermique transmis par la lampe en plus de son rayonnement lumineux. Pourquoi? Explication en 5 étapes : Il faut savoir qu il existe une large gamme de rayonnement infrarouge (IR) : le rayonnement IR court, moyen et long. L image suivante les représente. Le rayonnement infrarouge long est à l origine de rayonnement thermique. Produire des infrarouges courts nécessite de faire travailler l émetteur à des températures très élevées. En conséquence, en chauffant un filament de tungstène, on déplace le spectre du rayonnement émis vers les IR longs i.e vers un rayonnement thermique de plus en plus intense. L image ci-après présente les spectres lumineux de plusieurs types de lampe. On observe que la lampe à sodium haute pression ou la lampe à halogénures métalliques présente un rayonnement infrarouge court plus important que le rayonnement infrarouge long. FRANÇAIS 6

8 Lorsque l on dépose la plaque transparente sur le capteur, l effet de serre n est vrai que si le rayonnement lumineux issu de la lampe utilisée traverse le capot en plexiglas. Or, le plexiglas comme le verre bloquent le rayonnement infrarouge long d où des rendements inférieurs. Le rayonnement reçu par le capteur est majoritairement thermique. En conclusion, l idéal est de travailler avec le rayonnement solaire ou à défaut de travailler avec une lampe à sodium-haute pression ou une lampe à halogénures métalliques. L augmentation de température observée en TP est pour l essentiel liée au rayonnement thermique de la lampe à incandescence plus qu à l effet de serre. 2 Ballon-échangeur Un ballon échangeur (réf ) peut être monté dans le prolongement d un ou plusieurs capteurs en série, modélisant ainsi l ensemble de la chaine énergétique d un circuit de production d eau chaude par chauffage solaire. FRANÇAIS 7

9 2.1 Constitution de la maquette et rôle des différents éléments Seringue Systèmes de 2 clapets antiretour et 1 vanne 3 voies Capteur solaire Ballon échangeur Constitution de la maquette La maquette ballon-échangeur est composée de : - 1 ballon échangeur muni d un orifice de remplissage. - 1 seringue munie d une vanne 3 voies - Circuit avec 2 clapets anti-retour Rôle des différents éléments nécessaires à l expérience Eléments constitutifs de la maquette et nécessaire à son fonctionnement Lampe avec un rayonnement supérieur ou égal à 40 W (non fournie) Capteur solaire thermique (avec schéma du montage au dos) Circuit caloporteur : à raccorder au capteur (circuit primaire) Echangeur-réservoir avec robinet d'évacuation (circuit secondaire) Rôle Fournir de l énergie lumineuse (en réalité elle est aussi thermique) au capteur. Absorber et transformer l énergie lumineuse en énergie thermique (chaleur) Transporter la chaleur vers l échangeur (réservoir contenant le circuit secondaire) Restituer la chaleur de liquide caloporteur (eau) à l eau Correspondance avec la réalité Soleil Capteur solaire thermique Canalisations qui transportent la chaleur (fluide : eau + antigel) vers le ballon d eau chaude (échangeur) Ballon d eau chaude contenue dans le réservoir Seringue Pompe de circulation manuelle Pompe électrique de faible consommation activée par un dispositif de régulation. Remarque : Si Tsonde>Tballon : la circulation est coupée Clapets anti-retour et raccord (vanne) avec la seringue Imposer le sens de circulation du fluide Vannes et régulateurs du circuit FRANÇAIS 8

10 2.2 Expérience 1. Montage ballon-échangeur + capteur 2. Découper 5 à 10 cm de tube du circuit primaire en entrée du ballon échangeur (sur le dessus) et le brancher sur une des nourrices du capteur. 3. Brancher la vanne trois voies sur la seringue et placer les clapets anti-retour de chaque côté de cette vanne. Attention, au sens de circulation du fluide. 4. Brancher la sortie de ce système sur le capteur solaire et l entrée sur le ballon. 5. Brancher la sortie du capteur solaire sur l entrée du ballon échangeur (serpentin =circuit primaire). N hésitez pas à vous référer à la photographie donnée dans le paragraphe 2-1. Grâce à ce montage, on a un circuit d eau qui va être chauffé par les rayons lumineux de la lampe. Cette eau va transmettre sa chaleur à l eau contenue dans le réservoir. On simule ainsi le dispositif que l on peut avoir à domicile présenté en page 2. On placera un thermomètre (classique ou ExAO) dans le ballon échangeur. Un orifice est prévu à cet effet. 2.3 Description de l expérience a. Remplir les circuits primaires et secondaires avec de l eau à l aide des seringues. FRANÇAIS 9

11 Dans cette configuration, l eau pénètre dans le circuit primaire en chassant l air. eau air b. Remplir la seringue avec environ 40 ml d eau. Cette configuration permet de recharger la seringue. c. Placer la vanne de manière à avoir un circuit fermé. d. Propulser l eau dans le circuit à l aide de la seringue et, lorsque la résistance devient forte, laisser le piston de la seringue remonter, celle-ci se remplit à nouveau. A ce moment, le circuit est rempli d eau et d air. e. Allumer une lampe à incandescence et l orienter vers le capteur solaire. La rapprocher pour optimiser son effet : distance de 10 cm environ. Remarque : Il est important de laisser quelques bulles dans le circuit lors du remplissage afin de visualiser la circulation de l eau. f. Appuyer à nouveau sur le piston pour faire circuler l eau puis répéter l opération précédente régulièrement. Remarque : Si la pression dans le circuit devient trop forte : on ne parvient plus à faire circuler l eau. Il faut, alors, décompresser en ouvrant vers l extérieur la vanne. L air sort, on peut refermer le circuit et reprendre les opérations d et f. 2.4 Résultats Les résultats seront stockés dans un tableau. On pourra tester les différentes configurations comme précédemment afin de déterminer le capteur solaire optimisé. FRANÇAIS 10

12 2.5 Service après vente La garantie est de 2 ans, le matériel doit être retourné dans nos ateliers. Pour toutes réparations, réglages ou pièces détachées, veuillez contacter : JEULIN - SUPPORT TECHNIQUE Rue Jacques Monod BP EVREUX CEDEX FRANCE * * 0,15 TTC/ min à partir d'un poste fixe FRANÇAIS 11

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