Michel Bonvin Quelques références

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1 Energies renouvelables aujourd hui et demain Energie solaire thermique Michel Bonvin ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Quelques références John A. Duffie and W. A. Beckmann, Solar Engineering of thermal Processes, 2 nd Edition), John Wiley, New York, 1991 Frank P. Incropera and D. P. Dewitt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th Edition, Wiley, NewYork York, solaire.com energies.ch islands.com www. eurobserv er.org ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

2 Solaire thermique Solaire thermique : Conversion DIRECTE du rayonnement (irradiance) solaire en énergie thermique Chauffage des locaux Chauffage de l eau sanitaire ( kwh/m 2, 1 m 2 /pers., litres de stock/m 2 ) Rafraîchissement, climatisation Energie électrique Séchage Dessalement Etc. Solaire photovoltaïque : Conversion DIRECTE du rayonnement solaire en énergie électrique ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Rayonnement solaire ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

3 Rayonnement solaire ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Suffisant pour approvisionner le monde en électricité (2005) ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

4 Plan 1. Rayonnement : bases physiques 2. Types de capteurs thermiques, niveau de température 3. Centrales solaires à concentration 4. Applications particulières 5. Perspectives ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Le soleil Fusion thermonucléaire Distance Terre Soleil : m (deutérium et tritium qui se Rayon moyen : m combinent pour former de l hélium) Température en surface : 5800 K Puissance reçue par la Terre (hors atmosphère): W 1 h de rayonnement solaire équivaut à la consommation mondiale d énergie en 1 an Espérance de vie du soleil: 7.6 milliards d années ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

5 Rayonnement du corps noir (rayonnement émis loi de Plank) G ) d 2 hc ( h c e kt 1 d G()d : flux de ray. émis dans le domaine d [ W/m 2 ] : longueur d'onde d'émission [m] T : température absolue du corps [K] h : constante de Plank : h = Js c : vitesse de la lumière dans le vide : c = m/s k : constante de Boltzmann : k = J/K ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Loi de Wien T = const RAYONNEMENT DU CORPS NOIR 5800 K 1.E+08 1.E+07 Domaine visible 1000 K 300 K 1.E+06 1.E+05 1.E+04 1.E+03 1.E+02 1.E+01 omètre) Densité d'émission spectrale (W/m2 micro 1E+00 1.E+00 1.E-07 1.E-06 1.E-05 1.E-04 Longueur d'onde (m) Loi de Wien La longueur d onde sous laquelle le rayonnement maximal est émis est fonction de la température de surface du corps rayonnant : T= mk ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

6 Rayonnement reçu (sous atmosphère) Facteur de réduction entre émission et réception : (dist. Soleil Terre/rayon Soleil ) 2 = ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Course solaire Hauteur sin( ) cos( ) cos( )cos( t) sin( )sin( ) Azimut cos( )sin( t) sin( ) cos( ) Sud Les valeurs des angles et peuvent être estimés à l'aide des relations suivantes : : latitude du lieu considéré [ ] : vitesse angulaire de rotation de la Terre 2 autour de son axe : 24h : déclinaison solaire cos( t) avec : vitesse angulaire de rotation de la Terre autour du Soleil : jours ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

7 Sion, solstice d'été Hauteur (degrés) Azimut (degrés) ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Sion, solstice d'hiver Hauteur (degrés) Azimut (degrés) ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

8 Rayonnement solaire disponible 200 Lausanne Orientation Sud kwh/m2 mois Janv. Fév. Mars Avr. Mai Juin Juil. Août Sept. Oct. Nov. Déc. Vertical 45 degrés Horizontal ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Rayonnement solaire disponible Lausanne Orientation Sud Janvier W/m Gh G45 Gv ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

9 Rayonnement solaire disponible 1000 Lausanne Orientation Sud Juin W/m Gh G45 Gv ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Modèle utilisé par METEONORM En Suisse, pour une surface bien orientée, environ 50 % de irradiation annuelle l est forme directe Facteur de réflexion (albedo) : Variable selon les saisons entre 30 et 90 % ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

10 Résistances thermiques q 1 T 1 T2 q : Flux thermique [W/m2] R R : Résistance thermique [m2 K/W] T : Température [K] a) Conduction : R d 1 b) Convection, rayonnement thermique : R h : conductivité thermique [W/mK] d : épaisseur [m] h : coefficient de transfert thermique [W/m 2 K] h convection = v surface extérieure (v : vitesse du vent en m/s) = espace intérieur i entre absorbeur b et vitre h rayonnement = 4F 12 T 3 Deux plaques parallèles infinies avec des émissivités 1 et 2 : F 12 = = W/m 2 K 4 (Stefan Boltzmann) T = température moyenne (en K) ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Coefficients d Emission, d Absorption, de Réflexion Pour un corps noir : = Pour un absorbeur : + = 1 Pour un absorbeur b sélectif : est grand (> 0.9) dans le domaine visible, donc est petit est grand (> 0.9) dans le domaine infrarouge ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

11 Rayonnement à travers un vitrage Extérieur Vitrage Intérieur Emission secondaire vers l'extérieur Emission secondaire vers l'intérieur i Irradiance (ray. global) G Absorption G Transmission globale g G Réflexion G Transmission directe G ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Capteur plan non vitré ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

12 Capteur plan non vitré : modèle simplifié G 2c V T T T T m i 1 R conv 1 R ray m a a : Coefficient d absorption 0.9 G : Flux du rayonnement solaire 800 W/m 2 c : Chaleur massique de l eau 4200 J/kg K V : Débit massique spécifique kg/s m 2 T m : Température moyenne du capteur T i : T de l eau à l entrée du capteur 30 0 C R conv : Résistance à la convection 0.07 m 2 K/W R ray : Résistance au rayonnement (sélectif) 2 m 2 K/W Tm = C 2c V T T rendement = m i = 84.5 % G ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Capteur plan non vitré : selon fiche descriptive (Solardach AS+) 0 b 1 x b 2 x 2 G avec x T m Ta G Tm = C Ta = 20 0 C G = 800 W/m 2 K x = m 2 K/W 0 = b 1 = 8.91 W/m 2 K b 2 = W/m 2 K 2 = 81.1 % ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

13 Capteur plan vitré ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Capteur plan vitré ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

14 Capteur plan vitré ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Capteur plan vitré : selon fiche descriptive 0 (Cobralino Evo) T T b x b x G avec x 2 m a 1 2 G Tm = C Ta = 20 0 C G = 800 W/m 2 K x = m 2 K/W 0 = b 1 = 3.84 W/m 2 K b 2 = W/m 2 K 2 G = 800 W/m 2 K = 65 % ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

15 Capteur sous vide ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Capteur sous vide : selon fiche descriptive (Soltop T6 DF) 0 b 1 x b 2 x 2 G avec x T m Ta G Tm = 82 0 C Ta = 20 0 C G = 800 W/m 2 K x = m 2 K/W 0 = b 1 = 1.42 W/m 2 K b 2 = W/m 2 K 2 G = 800 W/m 2 K = 61 % ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

16 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Rendements types de capteurs thermiques 77% 75% 73% Capteur sans vitrage, selectif Capteur plan vitré Capteur sous vide ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Capteurs à concentration ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

17 Capteurs à concentration ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Capteurs à concentration ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

18 Capteurs à concentration ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Capteurs à concentration : Moteur de Stirling ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

19 Capteurs à concentration : Miroirs de Fresnel ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Capteurs à concentration : Miroir parabolique (Egypte) ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

20 Capteurs à concentration : Andasol ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Capteurs à concentration : Andasol ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

21 Capteurs à concentration (Nora Pitteloud) ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Capteurs à concentration (PS20, Séville) ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

22 Capteurs à concentration : Themis (Targassonne) ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Capteurs à concentration : Themis ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

23 Le projet DESERTEC ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Le projet DESERTEC Dessalement, Climatisation, Electricité ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

24 «Iles solaires» un concept du CSEM ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Conversion d énergie thermique en travail (Carnot 1834) Il faut du CHAUD et du FROID pour produire du travail Rendement maximal : maximal T 1 T Les effets d échangeur endorév. 1 froid chaud T T froid chaud Q chaud Q froid W ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

25 Production de froid à partir de chaleur (solaire) Q chaud W COP maximal T T froid chaud T T chaud tiède T T tiède froid Q tiède Q tiède W Q froid ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Production de froid Ordres de grandeur des COP T_chaud (oc) T_froid (oc) COP_endorév ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

26 Ref. N. Poize ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Dessalement d eau ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

27 Dessalement d eau ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Dessalement d eau 2 à 5 litres d eau par jour et par m 2 suivant l ensoleillement ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

28 Systèmes solaires 1. Capteurs solaires 2. Conduites hydrauliques 3. Flasque de nettoyage 4. Régulation automatique 5. Circulateur solaire à débit variable 6. Chauffe eau sanitaire 7. Echangeur de chaleur chaudière 8. Appoint électrique (option) 9. Echangeur de chaleur solaires 10. Appoint chaudière 11. Mitigeur thermostatique 12. Entrée eau froide 13. Sortie eau chaude 14. Eau chaude mélangée ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Systèmes solaires ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

29 Stockage de la chaleur Hypothèses : Stock eau liquide Cylindre optimal (Rayon = ½ Hauteur) Epaisseur d isolation : d = ½ Rayon Durée de stockage Hauteur [m] Rayon [m] d isol [m] V [m 3 ] Durée[jour] ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Stockage de la chaleur Un stock aux dimensions imposantes Permet d y dy loger une grande quantité de chaleur Assure une grande durée de stockage ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

30 Installations solaires thermiques : Aspects financiers Installation pour la production d ECS (villa individuelle) à CHF Temps de retour sur investissement < à 15 ans Production d ECS (bât. collectif, centre sportif, ) à CHF par m 2 de capteurs Temps de retour sur investissement entre 10 et 15 ans Installations solaires combinées ECS et chauffage à CHF (sans chaudière d appoint) pour une villa individuelle Piscines à CHF par m 2 de capteurs ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Perspectives Energies finales pour quels usages (2006) Ind Transp. Ménages Services Agri et al. CH Monde ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

31 Perspectives Ménages et Services Electricité Chauffage ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Perspectives 0.70 Industrie - Répartition Chaleur / Electricité Chaleur Electricicté ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

32 Perspectives 0.1 m 2 par personne! ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai Perspectives Le Suisse utilise 50 kwh de chaleur par jour, c est à dire kwh par année (ménages, services, industries) Pour couvrir ces besoins, il lui faudrait donc 30 m 2 de capteurs solaires Or, il n en possède en réalité que 0.1 m 2 Il y donc du travail, pour chacun et pour longtemps! ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai