LES BASES DE L ENERGIE SOLAIRE

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1 LES BASES DE L ENERGIE SOLAIRE J-M R. D-BTP

2 Les constantes solaires Rayonnement solaire sur un plan incliné Masques et obstacles devant les capteurs Technologie des capteurs Types d installations Régulation Couplage des capteurs Vase d expansion fermé Soupape de sûreté Purgeurs Clapet anti thermosiphon Le stockage 2

3 Les constantes solaires SOLEIL C TERRE 3

4 Les constantes solaires Pertes par réflexion Constante solaire: 1353 W/m² Pertes par dérivation et absorption Rayonnement incident par ciel clair et dégagé: 1000 W/m² 4

5 Les constantes solaires Puissance du rayonnement en fonction de la météo Ciel bleu Légèrement nuageux Soleil voilé Journée grise d hiver 1000 W/m² 600 W/m² 300 W/m² 100 W/m² 5

6 Les constantes solaires Ensoleillement annuel moyen en kwh/m² au sol 6

7 Les constantes solaires Zones solaires en Europe Productivité pour des installations avec capteurs permanents 7

8 Les constantes solaires L énergie solaire incidente sur un plan horizontal, en France métropolitaine, varie de : 1100 kwh/m².an (Nord de la France) ZONE I 1...à... ZONE I 2 ZONE I 3 ZONE I kwh/m².an (Sud de la France) 8

9 Les constantes solaires Ensoleillement moyen Énergie reçue par 1m² de capteur plan 9

10 Rayonnement solaire sur un plan incliné Inclinaison 23,5 23,5 Eté Hiver Ellipse Système solaire 10

11 Rayonnement solaire sur un plan incliné Inclinaison Hauteur du soleil au dessus de l horizon à midi (heure solaire). Eté + 23,5 Printemps Eté Automne Hiver Latitude Hiver - 23,5 équinoxe 21 mars solstice 21 juin équinoxe 21 Septembre solstice 21 décembre Pour une utilisation annuelle, l inclinaison du capteur par rapport à l horizontale correspond à la latitude du lieu. 11

12 Rayonnement solaire sur un plan incliné Inclinaison Eté Hiver 66,5 19,5 Angle d inclinaison du capteur 43 12

13 Rayonnement solaire sur un plan incliné Inclinaison Eté + 23,5-12 Latitude Printemps Eté Automne Hiver Hiver - 23,5 1 mai 31 août équinoxe 21 mars solstice 21 juin équinoxe 21 Septembre solstice 21 décembre Selon l application, il y a lieu de diminuer l inclinaison par rapport à l horizontale en fonction de la période d utilisation (exemple d une piscine) 13

14 Rayonnement solaire sur un plan incliné Azimut N W E S 14

15 Rayonnement solaire sur un plan incliné Azimut 0 7 h 30 : h 30 : + 60 Solstice d hiver : Secteur parcouru par le soleil =

16 Rayonnement solaire sur un plan incliné Azimut 7 h 30 : h 30 : + 60 Une légère modification de l azimut n à pas d influence sur le temps d insolation. 16

17 Rayonnement solaire sur un plan incliné Azimut 7 h 30 : h 30 : + 60 Une légère modification de l azimut n à pas d influence sur le temps d insolation. 17

18 Rayonnement solaire sur un plan incliné Azimut 0 6 h : h + 90 Equinoxes : Secteur parcouru par le soleil =

19 Rayonnement solaire sur un plan incliné Azimut Pas d insolation 6 h : h + 90 Pas d insolation Une légère modification de l azimut à de l influence sur le temps d insolation. 19

20 Rayonnement solaire sur un plan incliné Azimut Pas d insolation Pas d insolation 6 h : h + 90 Une légère modification de l azimut à de l influence sur le temps d insolation. 20

21 Rayonnement solaire sur un plan incliné Azimut 0 4 h : h : +120 Solstice d été : Secteur parcouru par le soleil =

22 Rayonnement solaire sur un plan incliné Azimut 4 h : h : +120 Une légère modification de l azimut n a pas d influence sur le temps d insolation. 22

23 Rayonnement solaire sur un plan incliné Azimut 4 h : h : +120 Une légère modification de l azimut n a pas d influence sur le temps d insolation. 23

24 Rayonnement solaire sur un plan incliné Azimut N W E S Dans la pratique une différence de 30 est tolérée 24

25 Rayonnement solaire sur un plan incliné Azimut Evolution de la largeur équivalente du capteur en fonction de la position du soleil. Le matin au au levé du soleil: largeur équivalente faible,efficacité du capteur faible. 25

26 Rayonnement solaire sur un plan incliné Azimut Evolution de la largeur équivalente du capteur en fonction de la position du soleil. Le soleil continue sa course: largeur équivalente augmente, efficacité augmente. 26

27 Rayonnement solaire sur un plan incliné Azimut Evolution de la largeur équivalente du capteur en fonction de la position du soleil. Le soleil est au zénith: largeur équivalente maximum, efficacité maximum. 27

28 Rayonnement solaire sur un plan incliné Exemple: Orientation SSW Coefficient de correction latitude 45 Inclinaison 35 Coefficient 0,90 90W 60W 30W 0 30E 60E 90E O,80 0,85 0,90 0,95 O,97 1 1, W WSW S W SSW SUD SSE S E ESE E 0 28

29 Masques et obstacles devant les capteurs Les capteurs doivent être installés en exposition sud dégagée à toute heure de la journée tous les jours de l année. 29

30 Masques et obstacles devant les capteurs La règle si dessous doit être respectée, en cas de doute effectuer un tracé des profiles d ombre sur un graphique. large h D D > 4 h ou >

31 Masques et obstacles devant les capteurs Le profil d ombre permet de déterminer tout au long de l année les jours et les heures où les capteurs seront masqués par les obstacles. 31

32 Masques et obstacles devant les capteurs Lors de la maintenance annuelle, surveiller l évolution de la végétation. 32

33 Masques et obstacles devant les capteurs Le graphique utilisé doit correspondre à la latitude du lieu. 33

34 Technologie des capteurs Capteur plan vitré 34

35 Technologie des capteurs Absorbeurs Matière transparente: le verre Matière réfléchissante: miroir Matière absorbante: revêtement noir 35

36 Technologie des capteurs Absorbeurs Fonctionnement de l absorbeur : L'absorbeur est muni de tubes assurant la circulation du fluide caloporteur à chauffer. La surface absorbante (revêtement) absorbe et transforme le rayonnement solaire en chaleur. Un bon revêtement doit être fortement absorbant : il est en général noir ou de teinte sombre. 36

37 Technologie des capteurs Capteur plan vitré Vitre Joint Coffre Absorbeur Isolant 37

38 Technologie des capteurs Capteur plan vitré 38

39 Technologie des capteurs Rayonnement incident 100 % Capteur plan vitré Pertes par rayonnement 21 % Pertes par convection et conduction 29 % Energie récupérée 50 % 39

40 Technologie des capteurs Rayonnement incident 100 % Capteur plan vitré Pertes par rayonnement 21 % Pertes par convection et conduction 29 % Energie récupérée 50 % Température moyenne de l eau : 30 C, air : 10 C 40

41 Technologie des capteurs Rayonnement incident 100 % Capteur plan vitré Pertes par rayonnement 21 % Pertes par convection et conduction 44 % Energie récupérée 25 % Température moyenne de l eau : 60 c, air : 10 c 41

42 Rendement du capteur [%] Technologie des capteurs Capteur plan vitré Evolution du rendement d'un capteur solaire en fonction de sa propre température 60% 50% Température extérieure = 10 C Ensoleillement = 600 W/m² 40% 30% 20% 10% 0% Température moyenne du capteur [ C] 42

43 Technologie des capteurs Moyens d améliorer le rendement des capteurs : - diminuer la température du fluide caloporteur par un bon calcul de l installation, - diminuer le pouvoir réfléchissant des surfaces vitrées par l emploi de verre sélectif, - diminuer la convection autour de l absorbeur par l emploi de capteur sous vide d air dans le cas de hautes températures. 43

44 Technologie des capteurs Capteur sous vide Composants et sous-systèmes des installations solaires thermiques

45 Technologie des capteurs Capteur sous vide Composants et sous-systèmes des installations solaires thermiques

46 Technologie des capteurs Capteurs sous vide 46

47 Technologie des capteurs Capteur non vitré «moquette solaire» Très utilisé pour des températures de réchauffage très basses 47

48 Technologie des capteurs Capteur non vitré «moquette solaire» 48

49 Technologie des capteurs Performances comparées des différentes technologies de capteurs. 80% 70% h : Rendement [%] 60% 50% 40% 30% 20% CAPTEUR SOUS-VIDE CAPTEUR PLAN SELECTIF CAPTEUR PLAN STANDARD CAPTEUR PLAN NON VITRE 10% 0% 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 (Tm - Te)/H [K.m²/W] Tm: température moyenne du fluide Te: température exrtérieure H: insolation en W/m² 49

50 Technologie des capteurs 80% 70% h : Rendement [%] 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% CAPTEUR PLAN NON VITRE CAPTEUR SOUS-VIDE CAPTEUR PLAN SELECTIF CAPTEUR PLAN STANDARD 65% 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 (Tm - Te)/H [K.m²/W] 66% 72% 62% Exemple piscine: Δθ eau = 25 K θ air = 20 c H= 1000 W/m² (Tm Te)/H = 0,005 Km²/W 50

51 Technologie des capteurs 80% 70% h : Rendement [%] 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% CAPTEUR PLAN NON VITRE CAPTEUR SOUS-VIDE CAPTEUR PLAN SELECTIF CAPTEUR PLAN STANDARD 0% 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 (Tm - Te)/H [K.m²/W] 31% 47% 52% Exemple ECS: Δθ eau = 60 K T air= 10 c H= 800 W/m² (Tm Te)/H = 0,625 Km²/W 51

52 Technologie des capteurs La courbe de rendement d un capteur est définie par l équation suivante T T h m e = B - K. - H B : Facteur optique du capteur ; K : Coefficient de déperditions du capteur [W/m².K] ; T m : Température moyenne du capteur [ C] T e : Température extérieure [ C] ; H : Irradiation solaire [W/m²] Le rendement des différents capteurs solaires: Le facteur optique B Ce facteur (sans dimension) est le produit du coefficient d'absorption de l'absorbeur par le coefficient de transmission du vitrage. Il varie entre 0,5 et 0,8 suivant la nature du capteur (par rapport à la surface hors tout du capteur). Il correspond aussi au rendement maximum du capteur. Le coefficient K [W/m².K] Ce coefficient est représentatif des pertes thermiques du capteur. Il dépend essentiellement du niveau d'isolation du capteur et de la nature de l'absorbeur. Il varie fortement en fonction du type de capteur : Capteur non vitré : 20 à 25 [W/m².K] Capteur vitré standard : 5 à 8 [W/m².K] Capteur vitré sélectif : 4 à 6 [W/m².K] Capteur sous vide : 1 à 2 [W/m².K] 52

53 Types d installations Thermo siphon monobloc 53

54 Types d installations Thermo siphon monobloc ECS EFS Utilisé comme chauffe-eau dans les régions ou pays où il n y a pas de risque de gel. Pas de régulation. 54

55 Types d installations Thermo siphon à éléments séparés Attention aux règles d installation! Le stockage doit se trouver plus haut que le capteur et il faut respecter une pente vers le stockage pour assurer la circulation naturelle du fluide caloporteur. Régulation inutile, antigel indispensable avec vase d expansion et soupape de sûreté. 55

56 Types d installations Thermo siphon à éléments séparés 56

57 Types d installations Eléments séparés à circulation forcée. R Toutes les configurations d installation sont possibles. La mise en place d un clapet anti siphon est indispensable pour éviter de refroidir le stockage la nuit. Régulation et fluide caloporteur antigel indispensables avec vase d expansion, purgeurs aux point hauts et soupape de sûreté. 57

58 Types d installations Eléments séparés à circulation forcée système autovidangeable. ZONE HORS GEL Bouteille de récupération R Les capteurs doivent être au plus hauts que le stockage, la bouteille de récupération doit être dans une zone hors gel, plus basse que le bas des capteurs et plus haute que le haut de l échangeur. Attention aux pentes des liaisons hydrauliques car il faut assurer la vidange totale des capteurs quand la pompe s arrête. Régulation indispensable, antigel inutile, pas de vase d expansion, pas de soupape de sûreté. 58

59 Couplage des capteurs Montage en parallèle. 59

60 Couplage des capteurs Montage en série. 60

61 Couplage des capteurs Montage mixte pour champs de captage importants. 61

62 Régulation Tc Eau chaude Capteur solaire R Régulation Ballon de stockage Circulateur Tb Eau froide 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 régulateur qui mesure constamment : Tc : température en point haut d un des capteurs (souvent le dernier) Tb : température du ballon au niveau de l échangeur Un comparateur intégré au régulateur calcule la valeur correspondant à l écart de température Tc - Tb (Sortie capteur ; Bas du ballon) : T. 62

63 Régulation Tc Eau chaude Capteur solaire R Régulation Ballon de stockage Circulateur Tb Eau froide La valeur calculée T est alors comparée aux différentiels d arrêt et de démarrage paramètrés sur le régulateur: Le circulateur démarre lorsque : T = Tc - Tb > DD ( différentiel de démarrage) Le circulateur s arrête lorsque: T = Tc - Tb < DA (différentiel d arrêt) Les valeurs de DD, DA sont réglables par l installateur. 63

64 Régulation Tc Eau chaude Capteur solaire R Régulation Ballon de stockage Point d attention : Circulateur Tb Eau froide - la sonde du capteur doit être placée au point le plus chaud du capteur, - la sonde du ballon doit être placée au point le plus froid du ballon, - dans le cas de liaisons hydrauliques longues, augmenter le différentiel de démarrage pour tenir compte des pertes de chaleur en ligne. 64

65 Régulation 65

66 Régulation 66

67 Régulation Il y a rarement un point de consigne sur les régulations des chauffe-eau solaires l énergie étant gratuite on récupère tant qu il y a du soleil. Dans le cas de faibles prélèvements d ECS pendant des journées de fort ensoleillement consécutives, la température du fluide caloporteur peut monter au dessus de 100 C. Une auto régulation se produira et la température du fluide se stabilisera quand les déperditions de chaleur du capteur vont égaler les apports par le rayonnement solaire (le rendement du capteur diminue quand la température interne augmente). Il est recommandé de ne jamais stopper une installation solaire même en cas d absence prolongée car il n y a pas d aquastat de surchauffe. 67

68 Tableau de relation Pression absolue température d évaporation pour l eau pure Pression absolue bar q évaporation C Régulation Pression absolue bar q évaporation C Pression absolue bar q évaporation C 0,5 80,86 1,6 112, ,2 0,6 85,45 1,8 116, ,08 0,7 89, , ,71 0,8 92, , ,13 0,9 96, , , , , ,43 1,1 101, , ,35 1,2 104, , ,14 1,3 106, , ,91 1,4 108, , ,38 1,5 110, , ,23 68

69 Vase d expansion fermé R 69

70 Vase d expansion fermé 70

71 Vase d expansion fermé Pour choisir ou contrôler le bien-fondé du choix d un vase il faut connaître les grandeurs suivantes : Pour déterminer la pression de prégonflage : - la pression de l eau en fonctionnement à l endroit du vase, Pour déterminer le volume minimum du vase : - le volume de l installation, - la température moyenne maximale à laquelle peut monter l installation, - la pression de l eau en fonctionnement à l endroit du vase, - l altitude des soupapes de sûreté par rapport à l axe du vase, - la pression de tarage des soupapes. 71

72 Vase d expansion fermé Pression de prégonflage : Cette pression de prégonflage doit être égale à la pression de l eau au niveau du vase quand l installation est froide. Sa pression de prégonflage sera alors la pression statique de l installation à son niveau (pression d eau au niveau du vase après remplissage), soit souvent la hauteur du point haut de l installation au dessus du vase plus 5 mce. Exemple : Le point haut de l installation est situé à 10 m au dessus du vase La pression d eau au niveau du vase sera de 10 m + 5 m = 15 m La pression de prégonflage sera de 15 mce soit 1,5 bar Pour éviter que la membrane du vase colle à la paroi lorsque l installation est froide, et comme le vase sera toujours surdimensionné, il est préférable que la pression de prégonflage soit légèrement inférieure à cette valeur (- 0,1 bar). 72

73 Vase d expansion fermé Expansion arrondie en % en fonction de la teneur en glycol et de la température. 20 C 30 C 40 C 50 C 60 C 70 C 80 C 90 C 100 C 110 C 0 % 0,2 0,4 0,8 1,2 1,7 2,3 2,9 3,6 4,3 5,2 10 % 0,5 0,7 1,1 1,5 2,0 2,6 3,2 3,9 4,6 5,5 20 % 0,8 1,1 1,4 1,8 2,3 2,9 3,5 4,2 4,9 5,8 30 % 1 1,3 1,6 2,1 2,6 3,1 3,8 4,4 5,2 6,0 40 % 1,5 1,7 2,1 2,5 3,0 3,6 4,2 4,9 5,6 6,4 50 % 1,8 2,0 2,4 2,8 3,3 3,9 4,5 5,2 5,9 6,7 73

74 Volume minimum du vase : Vase d expansion fermé Ce volume minimum est le volume d expansion divisé par le rendement du vase. Le volume d expansion est le volume de l installation multiplié par le coefficient d expansion. 20 C 30 C 40 C 50 C 60 C 0 % 0,2 0,4 0,8 1,2 1,7 2,3 2,9 3,6 4,3 5,2 70 C 80 C 90 C 100 C 110 C V =. exp V instal n 10 % 0,5 0,7 1,1 1,5 2,0 2,6 3,2 3,9 4,6 5,5 20 % 0,8 1,1 1,4 1,8 2,3 2,9 3,5 4,2 4,9 5,8 30 % 1 1,3 1,6 2,1 2,6 3,1 3,8 4,4 5,2 6,0 Suite de l exemple : 40 % 1,5 1,7 2,1 2,5 3,0 3,6 4,2 4,9 5,6 6,4 50 % 1,8 2,0 2,4 2,8 3,3 3,9 4,5 5,2 5,9 6,7 Le volume de l installation est de 40 L, la température maxi moyenne est de 110 C La teneur en glycol est de 40 % Le pourcentage de variation de volume est de 6,4 %, donc n = 0,064 Le volume d expansion est de 40 L. 0,064 = 2,56 L 74

75 Volume minimum du vase : Vase d expansion fermé Le volume minimum du vase est le rapport du volume d expansion par le rendement du vase. V mini = V exp rd vase Le rendement du vase est le rapport de l augmentation maximale de pression dans le vase sur la pression absolue maximale c est à dire : rd vase = ( P 2 P 1 ) P 2 P 1 = p prégonflage + 1,013 bar P 2 = p tarage + 1,013 bar + _ ( z / 10,2 ) 75

76 Volume minimum du vase : La formule développée globale est : Vase d expansion fermé P V mini n V 2 =.. instal ( P 2 P 1 ) V mini : volume minimum du vase d expansion fermé n : coefficient d expansion dépendant de l élévation de température V instal : volume de l installation à froid sans compter le vase P 2 : pression absolue maximale dans le vase (pression relative au vase qui fera «cracher» les soupapes + P atm ) P 1 : pression absolue de prégonflage du vase (pression relative de remplissage d eau au niveau du vase + P atm ) 76

77 Volume minimum du vase : Suite de l exemple : La soupape, tarée à 3 bar est située 1 m au dessus de l axe du vase. V exp : 2,56L P 1 P 2 Vase d expansion fermé : 1,5 bar + 1,013 bar = 2,513 bar : 3 bar + 1,013 bar + ( 1 m / 10,2 m/bar ) = 4,11 bar rd vase : ( 4,11 2,513 ) / 4,11 = 0,39 V mini : 2,56 L / 0,39 = 6,56 L Le vase prégonflé à 1,5 bar devra avoir un volume minimum de 6,56 litres. Mais si le volume réel du vase était strictement de 6,56 litres, la pression au niveau de la soupape atteindrait la pression de tarage aussitôt que la température moyenne du réseau atteindrait 110 C! Le volume réel du vase devra donc impérativement être supérieur à ce volume minimum calculé. Attention à la compatibilité de la membrane du vase avec le glycol lors des remplacements de vase d expansion. 77

78 Vase d expansion fermé P q Système solaire rempli, installation froide V 78

79 Vase d expansion fermé P q V Montée en température, le vase absorbe le volume de dilatation du fluide, la pression augmente. 79

80 Vase d expansion fermé P q V La température augmente, le vase absorbe le volume de dilatation du fluide, la pression augmente. 80

81 Vase d expansion fermé P q V Surchauffe,la pression augmente jusqu à dépasser la pression de tarage de la soupape de sûreté: ouverture de la soupape de sûreté. 81

82 Soupape de sûreté R 82

83 Soupape de sûreté Permet d éviter les surpressions dans le réseau caloporteur et la vapeur lors d éventuelles vaporisations si l installation à été mise à l arrêt accidentellement. Soupape de sûreté haute température 225 C 83

84 Soupape de sûreté 84

85 Soupape de sûreté Pour éviter toute pollution, les soupapes de sûreté des installations utilisant du MPG seront raccordées pour évacuer les surpressions dans un bac de récupération. Le produit ainsi récupéré pourra être réinjecté au besoin dans le circuit. 85

86 Purgeurs R 86

87 Purgeurs Purgeur manuel Purgeur automatique 87

88 Purgeurs Purgeurs automatiques Ils sont équipés de flotteurs permettant d ouvrir via un obturateur l évacuation des gaz dès que le niveau d eau baisse. Pour que le purgeur soit opérationnel il est nécessaire que le bouchon soit dévissé d un tour. Un joint permet de réaliser l étanchéité en cas de fuite sur l obturateur, dans ce cas le purgeur ne fonctionne plus de manière automatique. 88

89 Purgeurs Sur le point haut du capteur,un purgeur automatique résistant aux hautes températures est installé sur une vanne 89

90 Purgeurs Après remplissage, purge et dégazage de l installation, la vanne est fermée et le purgeur démonté pour éviter sa dégradation en milieu extérieur et le risque de fuite de fluide caloporteur. 90

91 Purgeurs Pour les capteurs posés sur toiture ou difficilement accessibles il est préférable de reporter la purge haute dans un endroit accessible. 91

92 Clapets anti thermosiphon R 92

93 Clapets anti thermosiphon Clapet droit ou équerre Clapet avec union incorporé. Clapet pour circulateur à raccord union. 93

94 Clapets anti thermosiphon Le clapet anti thermosiphon est constitué d un corps dans lequel se trouve un clapet appliqué sur un siège par un ressort. 94

95 Clapets anti thermosiphon En position repos, le clapet est fermé. 95

96 Clapets anti thermosiphon Le clapet s ouvre sous l action de la pression dynamique occasionnée par le débit de la pompe. 96

97 Clapets anti thermosiphon La nuit, le débit peut s inverser et le clapet va s opposer à la circulation du fluide caloporteur et ainsi éviter le refroidissement du stockage. 97

98 Le stockage R 98

99 Le stockage Ballon solaire seul : Un seul échangeur situé dans le bas du ballon raccordé sur les capteurs. La totalité du stockage est chauffée par le solaire. 99

100 Le stockage Ballon solaire avec appoint intégré : Deux échangeurs : - Un «solaire» dans le bas du ballon raccordé sur les capteurs. - Un deuxième situé dans le tiers supérieur du ballon raccordé à l appoint. 100

101 Le stockage Journée ensoleillée : La totalité du stockage est chauffée par le soleil. 101

102 Le stockage Journée peu ensoleillée : Le stockage est préchauffé par le soleil L appoint prend le relais pour amener le tiers supérieur en température 102

103 Le stockage Journée sans soleil : L appoint est seul pour amener uniquement le tiers supérieur en température. 103