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Convertisseur thermosolaire:

application à la production d'eau chaude sanitaire

ou « chauffe-eau solaire »


Vincent Élie, Clément Marmion, Frédéric Élie

janvier 2015

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On peut obtenir de l'eau chaude sanitaire (ECS) en utilisant directement la chaleur fournie par le rayonnement thermique du Soleil. Le principe de base est simple: l'eau chaude est produite par un capteur solaire qui convertit l'énergie du rayonnement du Soleil, récupérée à la surface terrestre, en énergie thermique servant à chauffer l'eau en circulation dans un serpentin ou un réseau de tuyaux. Un tel capteur est aussi appelé convertisseur thermosolaire.

On qualifie l'eau chaude produite de « sanitaire » (ECS) parce que la température obtenue n'excède pas 90°C, ce qui correspond à l'usage domestique classique: eau chaude de consommation, chauffage des locaux. On la distingue ainsi de l'eau chaude à très haute température, pouvant par exemple fournir une vapeur d'enthalpie très élevée, capable d'actionner des turbines pour la production d'énergie électrique. Même si la source est la même que pour l'ECS, à savoir l'énergie fournie par le rayonnement solaire, la grande différence est que, dans le cas de l'ECS, la chaleur fournie à l'eau dans le serpentin résulte d'une cascade de processus physiques qui font intervenir des phénomènes de transfert thermique autres que le seul transfert par rayonnement thermique. La dégradation successive de l'énergie fournie par celui-ci dans la structure du convertisseur fait que le rendement dit de conversion du système est d'autant plus faible que la température d'entrée de l'eau est plus grande; de sorte que, pour une certaine température d'entrée de l'eau, dite température de stagnation, le rendement devient nul. Or dans une installation d'ECS, l'eau utilisée pour le chauffage des locaux circule en circuit fermé, et donc celle qui revient dans le capteur n'est jamais très froide. La température de stagnation est celle à partir de laquelle l'eau qui entre dans le dispositif ne reçoit plus de chaleur supplémentaire: il s'ensuit que la température de sortie est égale à celle de l'entrée. la chaleur de l'eau dans le circuit d'utilisation est maintenue, mais elle n'augmente plus.

Il est donc fondamental d'identifier les processus de transfert thermique qui interviennent en cascade dans le convertisseur, depuis le rayonnement solaire incident jusqu'au fluide caloporteur (l'eau en sortie) qui circule dans le serpentin. On en distingue trois:

Dit simplement, ces trois sortes de transfert thermique affectent le milieu où ils se propagent de trois manières différentes:

Ces processus de transfert affectent de manière différente les diverses structures du capteur. De manière simplifiée, ces structures correspondent aux « couches » ou étages suivants du capteur:

L'eau circule dans le ou les tuyaux de deux manières possibles: soit par un mécanisme qui résulte de l'écart de température entre les locaux auxquels elle cède la chaleur (chauffage) et l'entrée du capteur – donc par convection naturelle – soit par convection forcée, c'est-à-dire par une pompe. On a dit que le rendement de conversion diminue quand la température d'entrée augmente et s'approche de la température de stagnation (ce qui justifie aussi l'appellation « capteur solaire basse température » pour ce type de dispositif). La température de stagnation correspond à la température que l'on atteint dans le circuit d'utilisation au bout d'une durée suffisante. Or on verra qu'elle dépend directement, non pas du débit, mais du flux thermique incident et de la conductance des pertes thermiques. Plus celle-ci est petite (peu de pertes) plus elle est grande, ce qui est intéressant. On a donc intérêt à bien isoler le capteur et à améliorer le transfert par conduction thermique entre l'organe récepteur (l'absorbeur) et l'eau des tuyaux. En outre, on verra aussi que le rendement de conversion augmente avec le débit. Donc, au début du cycle (mise en circulation de l'eau), il est utile d'augmenter le débit pour accélérer la production de chaleur dans l'eau. En revanche, on verra aussi que, quelle que soit la température d'entrée de l'eau, un débit important conduit à une température de sortie de l'eau qui reste proche de celle d'entrée, et si celle-ci est froide, l'eau utilisée dans le circuit reste aussi froide, ce qui n'est pas le but recherché. Il y a donc un compromis à trouver sur le débit pour à la fois bénéficier au départ d'un taux de production de chaleur suffisant, et éviter que l'eau à la sortie du capteur reste insuffisamment chaude.

Le rendement thermique de conversion est défini comme le rapport du flux thermique reçu par le fluide caloporteur (l'eau) et du flux solaire incident. Le flux thermique reçu par le fluide caloporteur dépend de très nombreux facteurs: la géométrie et les propriétés thermiques des différentes couches du capteur, ainsi que le flux solaire incident. Ces facteurs intègrent les différents processus de transfert thermique entre les constituants du capteur identifiés plus haut.

Quant au flux solaire incident, il fait intervenir, entre autres, les influences de la position du Soleil par rapport au capteur, et l'environnement ambiant, sur le bilan de rayonnement thermique. A ces influences, il faut ajouter, au niveau de la cavité, l'effet de serre responsable du fait que l'énergie thermique incidente reste piégée dans la cavité et peut ainsi être transmise à l'absorbeur.


Dans le présent article, nous énoncerons l'expression du rendement de conversion (relatif au fluide caloporteur), et nous détaillerons (en Annexes) chacun des processus qui interviennent sur ces facteurs.

Une manipulation expérimentale sommaire, obtenue à l'aide d'une maquette de capteur, fabriquée de toute pièce, permet de comparer les résultats de mesure avec la relation quasiment linéaire qui relie le rendement thermique à la température d'entrée de l'eau, et ceci, pour deux sortes d'isolant et pour différentes inclinaisons du capteur par rapport aux rayons incidents du Soleil.





SOMMAIRE


1 – Chauffe-eau solaire (ou convertisseur thermosolaire basse température)

    1. Principe de fonctionnement

1.1.1 – Structure générale du convertisseur

1.1.2 – Les 3 processus de transfert thermique qui interviennent dans les différentes parties du convertisseur

1.2 – Rendement thermique

1.2.1 – Rendement de conversion

1.2.2 – Rendement relatif au fluide caloporteur

1.2.3 – Exemples de calcul

1.3 – Sur quels facteurs agir pour obtenir un rendement optimal?

2 – Expérimentation

2.1 – But de l'expérimentation

2.2 – Maquette

2.3 – Réalisation des mesures et résultats

2.4 – Conclusion


ANNEXES

A1 – Transfert thermique par rayonnement, effet de serre

A1.1 – Loi du rayonnement (Planck), puissance thermique rayonnée (Stefan)

A1.2 – Emittance, émissivité, loi de Kirchhoff

A1.3 – Importance de la sélectivité pour l'absorbeur du capteur solaire

A1.4 – Rôle et importance de la couverture transparente (vitrage), effet de serre

A1.5 – Deux cas de figure quotidiens d'application du transfert par rayonnement thermique

A1.5.1 – La voiture exposée au Soleil

A1.5.2 – Sensation de froid près d'une fenêtre

A2 – Transfert thermique par convection

A2.1 – Phénomène convectif

A2.2 – Coefficients de transfert en convection forcée et en convection naturelle

A3 – Transfert par conduction thermique

A3.1 – Loi de Fourier

A3.2 – Diffusivité et effusivité

A3.3 – Application à l'isolant du capteur solaire

A4 – Influence de la hauteur du Soleil et de l'inclinaison du capteur solaire

A5 – Résistances thermiques et schémas équivalents

A5.1 – Résistance thermique

A5.2 – Coefficient de transmission

A5.3 – Déperditions thermiques

A5.4 – Paroi dont la face externe est exposée au Soleil, et la face interne donne sur l'intérieur

A5.5 – Équilibre thermique d'une plaque métallique exposée au Soleil

A5.6 – Quelques résultats pratiques

A6 – Calcul du champ thermique de l'absorbeur utile pour la détermination du rendement relatif au fluide caloporteur



REFERENCES



©Vincent Élie, Clément Marmion, Frédéric Éliehttp://fred.elie.free.fr, janvier 2015