Capteur héliothermique
Le capteur héliothermique, ou capteur plan, est un dispositif dont l'objectif est de capter la chaleur émise par le soleil.
Il consiste généralement en un tube, ou une série de tubes, placés dans une enceinte dont une face est transparente à la lumière et les autres faces isolées, tube dans lequel on fait circuler un fluide caloporteur qui emmagasine cette chaleur pour son utilisation.
Sommaire
Présentation Générale
Principe de fonctionnement d'un collecteur plan
- Un capteur ou collecteur solaire plan comprend normalement cinq parties :
- Une couverture transparente, composée éventuellement de plusieurs éléments (vitre),
- L’absorbeur qui est aussi la plaque où se réalise la conversion de l’énergie solaire en chaleur,
- Un circuit caloporteur,
- Une isolation thermique arrière et latérale,
- Une structure de liaison, modulaire ou intégrée (toiture solaire).
- Schéma d’un collecteur plan standard. Bilan énergétique net simplifié
- Du flux solaire global incident sur la vitre, direct et diffus, une fraction importante, entre 80 et 92 %, appelée coefficient de transmission énergétique t, atteint l’absorbeur où une fraction a (coefficient d’absorption) de ce rayonnement est transformée en chaleur. Cette absorption se réalise au sein d’une couche superficielle de la plaque sur une épaisseur très faible (< 0,1 mm). A cet endroit, nous disposons alors d’un flux thermique disponible par m² de surface de vitre égal à :
- Ce flux sert d’abord à compenser les pertes thermiques de la plaque vers son environnement avant et arrière. Ces pertes sont en première approximation proportionnelles à la différence de température entre la plaque et l’ambiance, soit Up.(Tp – Ta), où Up est le coefficient global de pertes (W/m².K). Up est de l’ordre de 7 à 8 W/m².K pour un capteur standard. Ce que l’on obtient finalement est le flux utile φu utilisé pour réchauffer le fluide du circuit caloporteur, l’eau (glycolée ou non suivant le type de régions) ou l’air en général.
Performances d’un capteur plan standard
- On obtient donc la formule de Hottel-Whillier-Bliss :
φu = (ατ).G – Up.(Tp – Ta)
- Ainsi que celle du rendement correspondant :
η = φu/G = (ατ) – Up.(Tp – Ta)/G
- Cette relation est représentée sur la figure ci-dessous qui comprend aussi une abaque permettant la détermination de la température atteinte par l’absorbeur par rapport à l’ambiance. L’abscisse est ((Tp-Ta)/G). Cette figure illustre les principales caractéristiques de fonctionnement des capteurs solaire plans.
- Remarque sur le schéma
- Le rendement maximum est au point A où (at) sera d’autant meilleur que les matériaux utilisés sont de bonne qualité (vitre – absorbeur).
- Le rendement décroît selon AB linéairement avec DT et à l’inverse de G.
- Cette décroissance est d’autant plus rapide que Up est grand. Nous pouvons remarquer que Up est de nature essentiellement thermique et est calculable en fonction des matériaux utilisés, de leur agencement et du dimensionnement.
- Sous G donné, par exemple 800 W/m²/K, DT possède une valeur maximale égale à [G.(at)/Up] qui ne dépend que de la conception du capteur et est proportionnelle à l’ensoleillement G. Pour G = 800 W/m², on lit DTmax = 87°C (point C) soit une température de l‘absorbeur de l’ordre de 112°C alors qu’à ce moment le rendement est nul ! Nous avons donc ici un ordre de grandeur qui justifie que le capteur solaire plan est lié à des utilisations de températures modérées (< 80°C) ce qui représente 30 à 50 % des besoins totaux d’un pays.
- Si l’utilisation impose une valeur minimale de DT , par exemple 30 °C pour l’eau chaude sanitaire, il existe un valeur minimale de l’ensoleillement nécessaire, soit 275 W/m² pour l’exemple choisi (point D). Si on impose en outre un rendement de 40 %, c’est un seuil de 536 W/m² qui devient nécessaire (point E) ce qui réduit considérablement les heures effectives de fonctionnement au cours de la journée.
Les performances des capteurs plans dépendent donc beaucoup de la température d’utilisation et de l’ensoleillement disponible.
Le plus simple des capteurs héliothermiques
Le plus simple des capteurs héliothermiques est un tuyau noir (au pire un tuyau classique : vert) enroulé lâchement sur une tôle ondulée ou un toit, ou simplement sur le gazon : plus il est long, et plus on aura d'eau chaude longtemps. Attention! l'eau peut être très chaude lorsque le tuyau a été exposé durant une heure!
Le réservoir tampon
En faisant passer ce tuyau dans un réservoir contentant de l'eau de sorte que l'eau chauffée par le soleil dans le tuyau vienne à chauffer celle dans le réservoir, on crée une inertie thermique dans ce réservoir qu'il est possible ensuite d'utiliser pour chauffer à son tour de l'eau domestique. Mieux ce réservoir tampon sera isolé, plus facilement il sera chauffé et plus longtemps il gardera la chaleur emmagasinée.
Le rapport entre le contenu du réservoir et la surface développée de tuyau est d'environ 1 m² pour 1/4 m³ pour un temps de chauffe d'un capteur bien exposé au printemps de 1 à 2 semaines à 60°C.
Capteur héliothermique amélioré
Par l'isolation du tuyau, en le plaçant dans une enceinte appropriée, on augmente notablement la captation de l'énergie solaire par effet de serre. De même, le choix de liquide caloporteur améliora sensiblement le système.
Exemple : Capteur plan à vitrage traditionnels
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Les capteurs plans avec vitrage sont les plus répandus. Ils sont composés de plusieurs éléments (voir schéma ci-dessus).
L’absorbeur
Il a trois fonctions :
- Absorber le rayonnement solaire
- Puis le transformer en chaleur
- Enfin la transmettre au fluide caloporteur
L’éclairement de l’absorbeur dépend de l’inclinaison du capteur par rapport au soleil. Il faut donc l’orienter de façon à ce qu’il reçoive un rayonnement solaire optimal. L’absorbeur utilise le rayonnement direct (provenant du disque solaire) et diffus (provenant de la voûte céleste), il n’est donc pas nécessaire de l’orienter en permanence en direction du soleil.
Il faut que l’absorbeur absorbe le maximum de flux solaire, c’est pourquoi il est généralement noir. De cette façon, son coefficient d’absorption a est proche de 0.95. il est préférable d’obtenir cette teinte par traitement chimique que par peinture car celle-ci a tendance à jouer le rôle d’isolant.
Il est aussi souhaitable de limiter les ré-émissions par rayonnement infrarouge. Pour ce faire, il faut que l’absorbeur ait une faible émissivité e (e<0.15). De tels absorbeurs sont appelés sélectifs.
Il faut que la transmission de la chaleur au fluide soit réalisée de façon optimale. C’est pourquoi, l’absorbeur doit être constitué d’un matériau à forte conductivité. On utilise donc des métaux. Plus le coefficient de conductivité est élevé, plus l’épaisseur est réduite pour un même flux transmis au fluide. Les tuyaux de circulation du fluide sont montés en parallèle et leur espacement dépend de leur diamètre.
L’isolation et le vitrage
Le but est de limiter les pertes thermiques au maximum au niveau du capteur. Ainsi, on dispose un isolant sur les faces latérales et arrière du capteur. Cet isolant doit avoir une bonne tenue aux hautes températures en cas d’arrêt de circulation du fluide en période estivale.
En ce qui concerne, la face avant, il est naturellement indispensable qu’elle soit transparente afin de laisser passer le rayonnement solaire. On peut alors utiliser du verre (simple ou double vitrage) ou du plastique (polycarbonate, méthacrylate…). On bénéficie alors du phénomène de l’effet de serre car le vitrage laisse passer le rayonnement solaire mais pas le rayonnement infrarouge émis par l’absorbeur. Cela limite alors le refroidissement par rayonnement. Par ailleurs, l’absorbeur est isolé de l’environnement extérieur, les pertes thermiques par convection dues au vent sont atténuées.
Les performances d’un capteur se mesurent au rapport entre l’énergie transmise à l’eau et l’énergie incidente sur le capteur. Le rendement instantané d’un capteur solaire est d’autant meilleur que la température de sortie du liquide est plus basse. En effet, les pertes thermiques augmentent avec la température du capteur.
Orientation et situation d'un capteur héliothermique
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Capteur parabolique
Le capteur parabolique utilise le principe de la parabole qui concentre les rayons solaires en un point où seraient situés les tuyaux calorifiques. C'est idéal comme système car il capte plus de rayonnement et permet de réchauffer plus vite et mieux. Ses principaux désavantages sont: coût excessif, besoin de beaucoup de place selon le système utilisé et il faut un système qui oriente le capteur vers le soleil. En effet, l'alignement est capitale pour concentrer le rayonnement au foyer.
Distillateur solaire
Les distillateurs solaires sont des capteurs héliothermiques qui utilisent la chaleur solaire pour chauffer de l'eau saumâtre afin de la faire évaporer, de sorte qu'elle se condense sur une toile pourvue d'un système de récupération de l'eau douce. On peut ainsi compter récupérer entre 3 et 5 litres d'eau au m2.
Voir aussi
Liens internes
Les distillateurs solaires sont des capteurs héliothermiques qui utilisent la chaleur solaire pour chauffer de l'eau saumâtre afin de la faire évaporer, de sorte qu'elle se condense sur une toile pourvue d'un système de récupération de l'eau douce. On peut ainsi compter récupérer entre 3 et 5 litres d'eau au m2.
Liens internes
- Ensoleillement en Europe
- un capteur sous vide
- site plus général
- Deux autoréalisations
- Faire ses radiateurs
- Un site pour les Français (aide, crédit d'impôt, etc.
Bibliographie
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