cours capteurs basset
TRANSCRIPT
Cours Master Energie SolairePremière année
Capteurs solaires non concentrés
Xavier PyProfesseurLaboratoire PROMES UPR8521 CNRSUniversité de Perpignan
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Capteurs solaires non concentré
Trois grandes familles…
Chimie solaire basse température
Solaire thermique basse température
Solaire photovoltaïquebasse température
Capteurs solaires basse température
Fonction: transformer l’énergie solaire (rayonnement direct et diffus)en énergie thermique
Particularité: sans concentration
Limite: maximum 1 kW/m2 au sol et 100°C
Applications: eau chaude sanitaire (ECS),chauffage habitat, piscine
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
CAPTEURS SOLAIRES
Pour être éligibles aux aides publiques en France, les capteurs solaires utilisés dans les installations collectives doivent bénéficier d’un Avis Technique délivré par le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) et être certifiés par ce même organisme (marque CSTBat). Cette procédure est une garantie supplémentaire pour les concepteurs et les maîtres d’ouvrages.
Au 1er septembre 2005 les sociétés titulaires d'avis techniques:
APEX BP SOLARAPPROSUD ENVIRONNEMENTBAXI S.A. BUDERUS CHAUFFAGE SACALORECLIMA CEL CHROMAGEN FranceCLIPSOLCie Française des Energies Renouvelables (CEFER)CONSOLAR GmbhDE DIETRICH THERMIQUEEDWARDS ENERGY SYSTEMSELM LEBLANC ENERGIE SOLAIRE SA ESE SA FRISQUET GASOKOL GmbhGREENoneTEC Solar-Industrie GmbhHELIAKMI LTDJACQUES GIORDANO INDUSTRIESNEW POINT PRODUCTSOKIPOO Ltd (Capteurs SOLEL)PACIFIC INDUSTRIESPHOENIX SOLAIREREHAU S.A. RITTER SOLARROTEXROTH FranceROTO FRANKSCHOTT FranceSCHUCO SCSSOLAHART IndustriesSOLAIRE CONNEXIONStefan NAU GmbhSUNGEOGETTHERMOMAX LtdVELUX FranceVIESSMANNWAGNER & CoWEISHAUPT SAZENIT
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Principaux capteurs thermiques basse température
Capteurs sans vitrage Capteurs vitrés Capteurs sous vide
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Capteurs de piscines
Labo
rato
ire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Composants d’un capteur solaire basse température
Surface absorbanteFluide caloporteur ou caloducStockageCouverture transparente (vitrage), effet de serreIsolation
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Surface absorbante: absorbeur
Fonction: transformer le rayonnement solaire chaleur(en retour l’absorbeur va rayonner dans l’IR)
Composition: support et revêtement de surface
Absorptivité α*: fraction du rayonnement solaire incident qui est absorbé
Réflectivité ou facteur de réflexion solaire r*(le complémentaire)
Transmissivité τ*: facteur de transmission solaire (en principe nul)la plaque est en principe opaque
Emissivité ε: facteur d’émission infrarouge, fraction d’énergie effectivementrayonnée sur l’énergie qui serait rayonnée par un corps noir
Sélectivité: rapport de l’absorptivité sur l’émissivité
Emittance E: E= ε s T4 W m-2
(s= 5,67×10-8 W m-2 K-4 constante de Stefan-Boltzmann))
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
3 µm
longueur d’ondede coupure
bande spectrale
d’absorption solaire
bande spectrale
d’émission infrarouge
Pratiquement pas de recouvrement des bandes
⇒ sélectivité optimisable pour absorption max et émission min⇒ traitements de surface
Remarque: pour les satellites artificiels on cherche le contraire
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Décalage des spectres absorbés et émis
Plaque support de l’absorbeur
Métallique
surtout cuivre (bon λ, bonne tenue à la corrosion)acier inox (rare, absorbeurs à lame d’eau) aluminium
Plastique
plus légerpeut être teinté dans la masse (pas de pb de rayures)pas de corrosionmauvais λvieillissement aux UVmauvaises tenue aux T élevées
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Plaque support de l’absorbeur
en général associé à l’échangeur et considérée comme une ailette
e
D1
l1
l l
Efficacité de l’ailette: F =th [(l1 – D1)/2 × (K/(λ×e))0.5]
(l1 – D1)/2 × (K/(λ×e))0.5
Influence directement le rendement global du capteur
K: pertes globales du capteur, λ: conductivité de l’absorbeur
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Non sélectif: peinture noire
Sélectif: α ≈ 1 et ε ≈ 0,2dépôts électrolytiques à base de chrome noir, nickel noir ou titane
λ µm
1
0
sélectivité
λc
ε* = α*
ε = α
Longueur d’onde de coupure : 3 µm
Bandes spectrales: solaire infrarouge
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Traitement de surface
0.130.830.11Miroir verre argenté0.160.900.14Peinture blanche (silicate)0.690.520.36Kapton aluminisé0.940.800.75Acier sablé
10.260.26Peinture aluminium1.100.880.97Peinture noire (silicate)2.50.040.10Aluminium poli
4.860.070.34Nickel brillant5.710.140.80Aluminium anodisé
70.090.63Acier poli100.030.30Film plastique recouvert d’or
12.50.020.25Cuivre poliα/εεαmatériaux
Sélectivité de quelques surfaces
D’après J. Bernard
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Température d’équilibre maximale d’un absorbeur
Surface STempérature de surface TSÉmissivité εAbsorbance α
θ
Flux capté : Fc = C* S cos(θ)
Flux absorbé : Fc = α C* S cos(θ)
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Température d’équilibre maximale d’un absorbeur
θ
Bilan thermique dans le cas idéal : sans pertes par conduction/convection
À l’équilibre,
Flux absorbé = Flux échangé avec le ciel par rayonnement
α C* S cos(θ) = ε σ S (TS4 – T∞
4)
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Température d’équilibre maximale d’un absorbeur
θ
TS = [ T∞4 + α C* cos(θ) /(ε σ)]
Critère de sélectivité de la surface : α/ε
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
0 4 8 12 16 20
sélectivité α/ε
0
100
200
300
400
500
T S (°
C)
Pour θ = 0; T∞ = 263 K; C* = 720 W/m2
0 20 40 60 80 100
angle θ
0
20
40
60
80
100
T S (°
C)
Pour α/ε = 1; T∞ = 263 K; C* = 720 W/m2
Température d’équilibre maximale d’un absorbeur
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Intensification de la sélectivité
Par traitement de surface
Par ajout d’un vitrage transparent au visible et opaque aux IR
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Vitrage: deux effets, isolation thermique et effet de serre
Fonctions: isolation par film d’air au repos (λ = 0.024 W m-1 K-1)effet de serre (α/ε ↑)
Réservé aux capteurs à T> 70°CVerre, polycarbonate, polyméthacrylate, polyester armé
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Transfert thermique dans une cavité parallélépipédique
δc δf δc δf
Couches limites séparéesL/H > RaH
-1/4
RaH = g β H3 ∆T
ν χ
χdiffusivité thermiqueβ coeff d’expansion thermiqueν viscosité cinématique
Effet d’isolation par lame d’air: étude des échanges convectifs
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Nombre de Rayleigh:
Recouvrement
Transfert thermique dans une cavité parallélépipédique inclinée
α = 180°
α
α = 0°
nappe stratifiée stable
transfert convectif cellulairecellules de Bénard
g
Nu
angle α
180° 90° α* 0°
1
Nu(α) = 1 + [Nu(90°) – 1]×sin(α) Nu(α) = Nu(90°)×(sin α)1/4
H/L>10 Nu(α)=1+1,44 [1-1708/(RaL cos α)]* [1-1708 {sin(1,8 α)}1,6 / (RaL cos α)] + [(RaL cos α /5830)1/3 -1]*Les termes * sont à supprimer si négatifs
α*2553606770
H/L13612
>12
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Nu = [0,06 + 3 10-4 (90 – θ)] Gr0,33
Avec Gr =
Le nombre de GrashohLes propriétés de l’air sont prises à Tm = (Tp + Tc)/2
Nu = hc b / λa
ρa2 g (Tp – Tc) b3
Tm µa2
b Tp
Tc
Autre corrélation disponible
θ
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Vitrages isolants à lame d'air
Vitrages isolants à lame de gaz
Effets antagonistes de la conductionet de la convection naturelle
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Vitrages isolants à couche peu émissive
Le remplacement d'un verre à émissivité normale par un verre à faible émissivité permet de diminuer notablement le coefficient K.
On peut accroitre les performances thermiques en utilisant un verre à couche faiblement émissive et un gaz autre que l'air.
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Echanges radiatifs entre l’absorbeur et le vitrage
Entre deux plaques parallèles et infinies:
φr =
Écrivant φr = hr (Tp – Tc)
On a,hc =
σ (Tp4 – Tc
4)
1/εp – 1/εc - 1
σ (Tp2 + Tc
2) (Tp + Tc)
1/εp – 1/εc - 1
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Echanges thermiques entre le vitrage et l’air extérieur
Echanges convectifs :
Si le vent est parallèle au vitrage et de vitesse moyenne w (m/s)
hv = 5,7 + 3,8 w
Echanges radiatifs :
φr = εc σ (Tc4 - T∞
4)T∞ température du ciel estimée par T∞ = 0,0552 Ta
1,5 (K)Ta température de l’air en K
Si on veut l’écrire en conductance,
φr = hre (Tc - Ta)
On a,hre =
εc σ (Tc4 - T∞
4)
Tc - Ta
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Propriétés des verres
Verre pratiquement transparent pour le visible (τvis ≈ 0,5-0,9)
et pratiquement opaque aux IR (τIR ≈ 0)
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
réfraction au passage par un dioptre
Loi de Descartes: déviation du rayon n1 sinΘ1 = n2 sin Θ2
Etude de la transmission à travers le vitrage
Coefficient de réflexion ρ : formule de Fresnel
ρ = 12
+ [ + ]sin2(Θ2-Θ1)sin2(Θ2+Θ1)
tan2(Θ2-Θ1)tan2(Θ2+Θ1)
Pour un rayon d’intensité unité, la fraction (1-ρ) pénètre dans le milieu alors que la fraction ρ est réfléchie.
dioptre
milieu 1
milieu 2
Θ1
Θ2
Air: n1 ≈ 1
(1 - ρ)
ρ
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
réflexions multiples sur une vitre
1 ρ (1-ρ)2 ρ (1-ρ)2 ρ3
(1-ρ)2 (1-ρ)2 ρ2 (1-ρ)2 ρ4
(1-ρ) Coefficient de transmission τr :
τr = (1-ρ)2 Σ ρ2n = (1-ρ)/(1+ρ)0
∝
Effet « lame à faces parallèles »
Pour N vitres superposées: τr = 1-ρ
1+(2 N-1) ρ
Conséquence: pas de multi-vitrage
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
τ = τa × τr
absorption τa = exp (-ke l )
ke coeff d’extinction, l longueur parcourue par le rayon dans le milieu
Une partie est aussi absorbée par le vitrage
Coefficient de transmission global
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Effet de serre
Vitre de 3 mm à 2% de Fe2O3
vitre
soleil
Corps Noir323 K
λ
coeff transmission τ
émittance
3 µm
1.0
0.8
90 %2 %8 %90 %Basse teneur en Fe2O3
85 %9 %8 %83 %Clair
facteur solaireabsorptionréflexiontransmissionVerre
Facteur solaire: rapport de l’E entrante sur l’E solaire incidenteC’est un facteur conventionnel comparatif entre produits
T ↑
T ↑
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
13 9 1.6 Double vitrage, Bronze avec traitement de surface "low E" (6-12-6)
39 29 1.6 Double vitrage moyennement réfléchissant avec traitement de surface "low E" (6-12-6)
Verre réfléchisant
65 77 0.5 Double vitrage à vide avec traitement de surface "low E" (4-12-4)
60 70 1.2Triple vitrage avec traitement de surface"low E" à lame d'Argon
67 72 2.0 Triple vitrageà lame d'air (4-12-4-12-4)
65 77 1.5 Double vitrage avec traitement de surface "low E" à lame d'Argon (4-12-4)
76 80 3.0 Double vitrageà lame d'air (4-12-4)
83 88 6.0 Simple vitrage, 4 mm
Verre claire
Facteur solaire %
Transparence %
Coefficient KW/m2 .°CType de vitrage
Le Facteur Solaire : proportion de l’énergie solaire qui entre comparée à l’énergie reçue à l’extérieur de la paroi vitrée
Isolation des capteurs plans
Isolation face arrière λ/e
Isolation par lame d’air au repos 2 à 3 cm
Calcul de la puissance perdue : ∆T/(Σe/λ)
Pour la lame d’air: dépend de l’inclinaison, ∆T, H et L
Isolants: doit résister à de T jusqu’à 150°C (polystyrène expansé limité à 100°C !!! )mousses phénoliques (chères), laines minérales (λ = 0,040) de verre ou de roche (hydrophobe)mousse polyuréthanne (λ = 0,030) injectée pour coffres sandwich
Pour éviter que les condensats ne soient absorbés par l’isolant: placer une feuille étancheMais attention aux couples électrolytiques (éviter Al-Cu)
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Extraction de l’énergie thermique produite
Energie thermique produite extraite par : eau ou eau+additifs ou air ou caloduc
Ou stockée in situ
Échangeurs à air/eau
Pas de pb de gelSi air sec, pas de pb de corrosionPas de fuitePour chauffage habitat pas d’échangeurSystème simple et fiable
Ne peut servir qu’au chauffage des locauxCapacité de transport (m Cp) faibleTransferts thermiques mauvaisConduites de forts diamètres
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Capteurs sous vide : plus d’air au repos, uniquement du rayonnement !
0.8MPaMaximum Strength
< 0.8W/ ( m2oC )Heat Loss
>200oCStagnation Temperature
P<5x10-3 PaVacuum
< 8% (80oC)Emittance
> 92% (AM1.5)Absorbance
Graded Al-N/AlAbsorptive Coating
Borosilicate Glass 3.3Material
3.3x10-6 oCThermal expansion
1.6mm Glass thickness
47mmInner tube diameter
58mmOuter tube diameter
1500mm /1800mmLength (nominal)
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
La double enveloppe sous vide
φ = σ A1 (T1
4 – T24)
1/ε1 + (1−ε2)/ε2 (r1/r2)
Échanges radiatifs entre cylindres concentriques
r2r1
A1 A2
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Internal reflector
Absorber tube with return flow
Inner flow tube
Evacuated outer tube
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Géométrie moderne avec réflecteur
Source: Vaillant
a) Géométrie classique
Avec absorbeur planb) Absorbeur courbe pour augmenter la surface effective
c) Avec réflecteur pour éclairer toute la surface
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Historique du développement des géométries
Source: Vaillant
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
d) Avec réflecteur externe e) interior reflector: increasing efficiency and protection againstdegradation byenvironmental impact
f) CPC glas tubereflector coating and optimised shape of casing tube
Source: Vaillant
Historique du développement des géométries
Extraction : Caloduc ou Thermosyphons
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
flow direction
Stockage
P = m Cp dT/dt
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Rendement d’un capteur basse température
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Bilan thermique global de l’absorbeur
Φabs = Φp + Φu + Φst
Flux utileTransmis au fluide caloporteur
Flux stockéPar l’absorbeur
Flux de pertes
Flux solaireabsorbé
Bilan thermique global de l’absorbeur
Φabs = Φp + Φu + Φst
Flux utileTransmis au fluide caloporteur
(m Cp)a dT/dt
Flux de pertes
Flux solaireabsorbé
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Rendement d’un capteur basse température
Bilan thermique global de l’absorbeur
Φabs = Φp + Φu + Φst
Qmfc Cpfc (Ts – Te)
Flux stockéPar l’absorbeur
Flux de pertes
Flux solaireabsorbé
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Rendement d’un capteur basse température
Bilan thermique global de l’absorbeur
Φabs = Φp + Φu + Φst
Flux utileTransmis au fluide caloporteur
Flux stockéPar l’absorbeur
Hpertes S (Tabs _ Tair ext)
Flux solaireabsorbé
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Rendement d’un capteur basse température
Bilan thermique global de l’absorbeur
Φabs = Φp + Φu + Φst
Flux utileTransmis au fluide caloporteur
Flux stockéPar l’absorbeur
Flux de pertes
τv αabs G* S
τv coefficient de transmission du vitrage
αabs coefficient d’absorption de l’absorbeur
G* densité de flux solaire incident sur le capteur (W m-2)
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Rendement d’un capteur basse température
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Rayonnement de seuil
En début de journée
Tballon ≈ 45° C
G*(i,γ) faible → Φu < 0 !!!
D’où un G*s,
G*s= Hperte (Tfc.in – Tair.ext)/(αabs τvitre)
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Température limite
Tcapteur !Si Qfc = 0, Φu = 0
En régime permanent,
Φabs = Φpertes
D’où
Tlimite = Φabs/Hperte + Tair
À calculer et en tenir comptepour les matériaux !!!
Ils sont définis par rapport au flux solaire incident
Le rendement global : η = Φu / (G* S)
Le rendement interne : ηi = Φu / Φabs
Le rendement optique : ηo = Φabs / (G* S)
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Rendements d’un capteur basse température
Efficacités comparées de différents capteurs
Difference between collector temperature and ambient temperature [K]
colle
ctor
effi
cien
cy [%
]
Solar domestic hot waterSolar supported heating
Solar process heat
Solar swimming pool heating
Vacuum tube collector
Flat plate collector
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
&Plan non vitré* Plan vitré/ Sous vide
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Efficacités comparées de différents capteurs
Le mur Trombe
Félix TROMBE 1906-1985prototype du four de 50 kW de Montlouis et grand four de 1000 kW d’Odeillo Font-Romeu.
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
habitat extérieur
absorbeur
vitre
Aérothermie solaire
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Aérothermie solaire
Twinsolar de SOLAIRTEC (Grammer solar)
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Aérothermie solaire
Twinsolar de SOLAIRTEC (TP)
La
bora
toire
PROM
ES C
NRS
UPR
852
1
Aérothermie solaire
Twinsolar de SOLAIRTEC (TP)