Présentation des technologies solaires

113 Pages·2007·11.53 MB·French

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PRESENTATION DES

TECHNOLOGIES SOLAIRES

FCIA093

FORMATION

DECEMBRE 2007-JANVIER 2008

INES EDUCATION
Bâtiment LYNX—50 avenue Lac Léman
Savoie Technolac — BP 258
73375 LE BOURGET DU LAC CEDEX

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ECOLE D'ARCHITECTURE DE GRENOBLE
FCIA093 – Décembre 2007-Janvier 2008

INTEGRER LE SOLAIRE THERMIQUE
DANS LE BÂTIMENT

Thomas LETZ
Docteur-Ingénieur en Energétique
Responsable du Département Thermique
INES EDUCATION

Xavier CHOLIN
Ingénieur en Solaire Thermique
INES EDUCATION

INES EDUCATION – Institut National de l’Energie Solaire
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Association Loi du 1er juillet 1901 – N° SIRET : 449 208 164 00029 – Code NAF : 804C
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Sommaire

1. Le gisement solaire, les données climatiques.........................................................................3

2. Les différents types de capteurs solaires thermiques..............................................................6

3. Les techniques solaires.........................................................................................................10
3.1. Le chauffe-eau solaire individuel..............................................................................10
3.2. L'eau chaude solaire collective.................................................................................12
3.3. Le système solaire combiné......................................................................................16
3.4. Les piscines solaires..................................................................................................19
3.5. Les installations collectives combinées....................................................................20
3.6. Le froid solaire..........................................................................................................23

4. L'évaluation des besoins pour l'eau chaude collective..........................................................26

5. Le dimensionnement des composants...................................................................................29

6. L'intégration des capteurs.....................................................................................................30

7. Le dimensionnement de l'installation....................................................................................39
7.1. Les indicateurs de performance................................................................................39
7.2. Outils de calcul.........................................................................................................41

8. L'évaluation économique des projets....................................................................................41

9. Les aides et subventions........................................................................................................45

10. Le télésuivi, la Garantie de Résultats Solaires..................................................................48

11. Les conseils opérationnels................................................................................................56

12. Le contexte juridique........................................................................................................57

13. Techniques actuelles et évolutions possibles....................................................................58

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1. Le gisement solaire, les données climatiques
Le soleil
Le soleil est un énorme réacteur thermo-
Un petite étoile dans l’univers
nucléaire, où l'hydrogène fusionne en
hélium. L'énergie qu'il envoie dans toutes
Diamètre : 1 400 000 km (environ 1 300 000 fois plus gros que la terre)
les directions est à la fois énorme (environ
Distance Terre-Soleil: 150 000 000 km (ou 8 minutes-lumière)
10 000 fois les besoins terrestres), mais
Au centre : La Fusion Nucléaire
malheureusement assez diluée, puisque la
4 1H ---> 4He + 2e++ 2 n e + 2,5.1012J/mole He
1 2
puissance maximale reçue à l'extérieur de
Consommation : 576 millions de tonnesd'hydrogène àla l'atmosphère sur une surface d'un mètre
seconde
carré perpendiculaire à la direction du
Le Soleil rayonne comme un corps noir à5 800K rayonnement est au maximum d'environ
1350 W (cette valeur est légèrement
A l'extérieur de l'atmosphère terrestre, une surface de 1m²
supérieure en hiver car la distance Terre-
perpendiculaire au rayonnement reçoit 1 353 W. C'est la
constante solaire Soleil est minimale à ce moment-là)
Pour récupérer une quantité d'énergie
Énergie reçue sur terre chaque année : 8 000 à10 000 foisla consommation
importante, il faut donc nécessairement
énergétique de l’homme
augmenter la surface qui intercepte le flux
Espérance de vie : environ 5 milliards d’années.
solaire. Concentrer le rayonnement solaire
n'augmente pas la puissance ou l'énergie Le cycle des saisons
récupérés, mais seulement le niveau de
température pouvant être atteint. Rotation de la Terre
équinoxe
sur elle-même :
de printemps
La déclinaison δ = 0° Variation diurne
solstice 23°
d’été Rotation de la Terre
δ = 23°27’
L'axe de rotation de la terre est incliné par 43°6’ autour du soleil +
rapport au plan de l'écliptique (plan dans 6930°°33’ 639°03°3’ axe incliné:
43°6’ Variation annuelle
lequel la terre se déplace autour du soleil) δ = −23°27’
La déclinaison est un angle qui permet de solstice
prendre en compte cette situation pour d’hiver
équinoxe
calculer la trajectoire apparente du soleil
d’automne
dans le ciel. Elle varie entre 23 ° 27 ' au δ = 0°
solstice d'été à – 23 ° 27 ' au solstice
d'hiver, de manière sinusoïdale.
Déclinaison δ :angle entre direction
terre-soleil et plan équatorial

Le rayonnement solaire
L'énergie solaire qui arrive sur terre est
Le rayonnement solaire disponible sous forme de rayonnement
électromagnétique émis depuis le soleil. La
rayonnemen1t e3x5t0ra W-a/tmm²osphérique : 0,01 1 10 100 (mm ) puissance transmise par ce rayonnement
Limite atmosphère ~2500 km ULTRA VIOLET VISIBLE proche INFRmAo yReOnUGE lointain varie avec la longueur d’onde du
Réfléchi rayonnement. La plus grosse quantité
d’énergie est apportée par les longueurs
Absorbé 2,5 d’onde visibles (lumière blanche qui est la
W/ m 2.mm Pertes par dispersion superposition de toutes les couleurs).
2,0
Diffus Absorbé Intensité à la limite Certaines longueurs d’onde sont absorbées
de l'atmosphère
1,5 partiellement ou totalement par les
Direct Absorption par H2O particules de l’atmosphère (les molécules
1,0
d’ozone absorbent une partie des ultra
Absorption par O3
0,5 violet).
spectre CO2
Surface terrestre maximum au sol : visible Il en résulte que la puissance disponible sur
1 000 W/m² 00 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 un mètre carré normal au rayonnement est
longueur d'onde( µ m )
de l'ordre de 1000 W par temps ensoleillé
Spectre solaire
alors qu’elle est de l’ordre de 1350 W hors
atmosphère.
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Pour pouvoir dimensionner une
installation solaire, il est nécessaire de
connaître la quantité d’énergie disponible.
Pour cela on utilise les données fournies
par la météo nationale.
Ces données sont :
- la fraction d’insolation, égale au rapport
de la durée réelle d’ensoleillement sur
la durée théorique du jour. Cette
grandeur est disponible dans quasiment
toutes les stations météo françaises en
valeur mensuelle. Elle se mesure grâce
à un héliographe.
- l’irradiation globale (kWh/m²/j) :
correspondant à l’énergie solaire
globale reçue sur une surface
horizontale. Elle se mesure avec un
solarimètre ou pyranomètre.
- l’irradiation diffuse (kWh/m²/j) :
correspond au rayonnement reçu de la voûte céleste, hormis le rayonnement direct.
L’irradiation globale verticale (kWh/m²/j) peut être utilisée pour le calcul des apports passifs sur des parois
verticales.
Appareils de mesure
Les pyranomètres délivrent une tension
directement proportionnelle à l'irradiation.
Cette tension provient d'une thermopile
dont la partie supérieure s'échauffe par
exposition à l'irradiation solaire alors que
la partie inférieure protégée de cette
irradiation sert de référence. Ce sont des
appareils coûteux : il y a donc peu de
stations météorologiques qui en utilisent en
France.
Le pyranomètre à rayonnement diffus est
identique au précédent, mais comporte une
"bande d'ombre" qui évite la composante
directe du rayonnement incident.
Le pyrhéliomètre mesure la composante
directe du rayonnement solaire. Il a besoin
d'un "suiveur solaire" et d'un collimateur
pour maintenir en permanence le disque
solaire focalisé et masquer le reste de la voûte céleste. Le capteur est une pile thermoélectrique. Elle mesure le
rayonnement solaire direct.
Par contre, la durée d'ensoleillement est
mesurée dans une centaine de stations
météorologiques en France par des
héliographes. Mais cette grandeur donne
uniquement le nombre d'heures où la
puissance du rayonnement solaire dépasse
120 W/m². Pour en déduire l'irradiation, il
faut utiliser des corrélations.
L'irradiation
C'est l'intégrale de la puissance arrivant
sur un plan caractérisé par son orientation
et son inclinaison.
La carte d'irradiation de la France donne
la valeur moyenne annuelle de
l'irradiation journalière sur un plan orienté
au Sud et incliné d'un angle égal à la
latitude du lieu. On retrouve une valeur
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supérieure d'environ 70 % dans les zones les plus favorisées par rapport aux zones les moins favorisées.
Repérage du soleil
Pour repérer la position du soleil dans le
ciel, on utilise deux angles :
la hauteur h : angle entre la direction du
soleil et sa projection sur le plan
horizontal
L'azimut a : angle entre cette projection et
la direction du Sud : a est compté
positivement vers l'Ouest et négativement
vers l'Est

Ces montagnes qui nous font de l’ombre
Les masques
...
Lorsque l’on veut utiliser l’énergie solaire à
un endroit, il faut non seulement connaître
h l’ensoleillement du site, mais aussi
Un clinomètre peut être déterminer quelle quantité d’énergie vont
construit avec un rapporteur
sud et un fil àplomb. amputer les obstacles entre le soleil et ce
h a site.
21 juin
Il faut donc relever les masques à l’endroit
12h 21 mars -21 où l’on désire implanter l’installation
60° 11h septembre
A noël, il n’y a du hauteur 4500°° 10h 16h2d1é cembre sPooluari rec.e l a, il faut se munir d’une boussole
soleil que de midi 30° 17h et d’un clinomètre (ou clisimètre) et relever
(solaire) à15h00, 20° la hauteur angulaire et l’azimut de tous les
alors qu’en juin, la 10° obstacles potentiels.
montagne ne le
-90° -60° - 0° 30° 60° +90° azimut Ces données, une fois reportées sur un
cache pas de la est 30° sud ouest
journée. graphe représentant la projection de la
Logiciel de tracéde masque :
course fictive du soleil à l’endroit du site,
http://sourceforge.net/project/platformdownload.php?group_id=186836
permettront de déterminer les heures de
lever et de coucher du soleil en fonction de la saison..

Variabilité de l'irradiation

L'irradiance solaire est la puissance du
rayonnement solaire par unité de surface.
Elle s'exprime en W/m².
L'irradiation solaire est l'énergie du
rayonnement solaire sur un intervalle de
temps déterminé. Elle s'exprime en J/m² et
en kWh/m². Entre une journée sans
nuages et une journée avec ciel couvert, la
quantité d'énergie incidente sur un plan
donné peut varier d'un facteur 4 à 5. Dans
le deuxième cas, cette énergie arrive
uniquement sous forme diffuse, et la
puissance atteinte ne permet en général
pas à un capteur thermique d'atteindre un
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niveau de température suffisant pour délivrer une puissance utile.

La puissance maximale atteinte en hiver
est équivalente à celle qu'on peut obtenir
en été. Dans l'exemple, présenté, un peu
plus de 800 W/m² au midi solaire. Aux
équinoxes, cette puissance est plus élevée
sur un plan incliné d'un angle égal à la
latitude du lieu, car l'angle d'incidence au
midi solaire est nul et le rayonnement
solaire arrive perpendiculairement sur le
plan.
Ce qui change entre l'été et l'hiver n'est
donc pars la puissance maximale, mais la
durée du jour.

Calcul de l'irradiation hémisphérique
Calcul de l'irradiation sur un plan quelconque
L'irradiation incidente sur un plan incliné
d'un angle β et orienté avec un azimut γ se
Données météo Données géographiques compose de 3 parties :
- le direct, calculé à partir du direct sur le
Latitude Φ mois plan horizontal à l'aide d'un facteur de
Fraction solaire σ
transposition géométrique R
b
Déclinaison δ - le diffus, qui est la proportion de diffus
Global horizontal G extrGa-laotbmGaole xshtpohriézroiqnutael G total "vue" par le plan en fonction de son
ext inclinaison
Diffus horizontal D - le réfléchi, qui est la proportion de global
horizontal total "vue" par le plan en
Global incliné= direct + diffus + réfléchi
Inclinaison β G(β,γ) = (G-D).R + (1+cosβ).D + (1-cosβ).ρ.G fonction de son inclinaison et du coefficient
b
Orientation γ 2 2 de réflexion du sol (albedo).

Masque

Rb

Données du projet

2. Les différents types de capteurs solaires thermiques

Les capteurs sans vitrage
Il existe toute une gamme de capteurs
Chauffage des piscines
solaires qui permettent de répondre aux
différents besoins. Il faut choisir le type
de capteurs qui correspond le mieux au
niveau de température auquel on désire «
travailler ». Bien entendu, plus le niveau
de température est élevé, plus les
technologies mises en œuvre sont
Moquette solaire pour le chauffage des piscines.
évoluées et plus les coûts de production
Un capteur simple adaptéau basses
sont élevés. On n’utilisera pas un capteur
températures, résistant et peu onéreux.
sous vide, permettant d’atteindre de très
hautes températures pour réchauffer une Séchage en
piscine. grange
Le capteur moquette
Très bon rendement pour les températures La toiture de la grange peut constituer
un excellent capteur pour réchauffer
proches de la température de l’air
l’air nécessaire au séchage du foin.
crédit photo : ASDER
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ambiant. Ne permet pas de produire d’eau chaude sanitaire.
Facilité de mise en œuvre, coût d’environ 100 €/m².
Dimensionnement : entre 1/3 et 2/3 de la
Les capteurs sans vitrage (2)
surface du bassin.

Chauffage des piscines

Le capteur plan non vitré en acier à
revêtement sélectif permet d’avoir de
très bonnes performances quand les
Il existe des capteurs non vitrés sélectifs
besoins sont en phase avec la
utilisant un absorbeur métallique. Ces
ressource. Ils sont peu sensibles à
capteurs permettent d'atteindre des l’angle d’incidence du rayonnement.
températures un peu plus élevées que les
capteurs moquette, ou inversement de
fonctionnement également en dehors de la
période estivale. Préchauffage de l’ECS

Préchauffage de
l’ECS sur des
grosses
installations.

Energie Solaire SA
INES –Institut National de l’Energie Solaire 9
Le capteur plan est le capteur le plus
Les capteurs plans
répandu et le mieux adapté aux besoins de
chauffage et d’eau chaude sanitaire dans les
Eau chaude
bâtiments. Les capteurs vitrés restent les
solaire
Le capteur plan vitréest bien plus performants bien que les non vitrés
adaptéaux besoins des soient assez utilisés dans de nombreux pays
habitations. Ses températures européens (essentiellement pour du pré-
Le capteur de fonctionnement
chauffage d’eau chaude sur des
plan vitré correspondent aux
crédit photo : ASDER températures de production de installations collectives).
En caisson ou àassembler in
chauffage et d’eau chaude Ce type de capteur se présente sous forme
situ, les capteurs peuvent se
sanitaire. de caissons de différentes dimensions ou
mettre sur châssis ou
s’intégrer dans l’architecture sous forme d’éléments séparés à intégrer
des bâtiments. Systèmes directement dans l’architecture des
combinés bâtiments.
chauffage Les surfaces mises en œuvre vont de
et eau quelques mètres carrés pour les chauffe-eau
chaude solaires individuels à plusieurs centaines de
crédit photo : Giordano
mètres carrés pour les installations
INES –Institut National de l’Energie Solaire 10
collectives.
Les capteurs sous vide

Les capteurs à tubes sous vide
Les capteurs sous vide permettent
d’atteindre des hautes températures
Capteurs sous vide Concentration (CPC)
(150°C) avec des rendements corrects. Le
vide créé à l’intérieur des tubes permet de
réduire de manière importante les
déperditions lors de la montée en
température. Cette technique a été
développée il y a une trentaine d'années
afin d'améliorer les performances d'un
capteur plan. L'air à l'intérieur est évacué
pour faire le vide et le tube est fermé
hermétiquement.
Le principe est simple, mais la fabrication
est difficile à cause des liaisons
verre/métal nécessaires.
Montage 2 tubes Montage avec caloduc Montage avec réflecteur
Ainsi ils sont utilisés pour la climatisation
par absorption où des températures de
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plus de 80°C sont nécessaires, ou pour la
production d’eau chaude haute température. Leur coût reste important.
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Leur utilisation pour le chauffage de l’eau chaude sanitaire est tout à fait possible, cependant les performances d’un
chauffe-eau solaire équipé de capteurs sous vide ne sont pas tellement meilleures qu’avec des capteurs plans vitrés,
dans le cas où l’on produit de l’eau à 50°C.
Le choix du capteur sous vide est donc intéressant pour des plages de températures où les capteurs plans vitrés ont
des rendements qui chutent.
Le coût de ces capteurs est souvent supérieur à 700 €/m². Les capteurs sous vide à concentration combinent l’effet
de concentration des miroirs paraboliques (CPC = Concentrateur Parabolique Composite) avec des capteurs sous
vide permettant d’obtenir des hautes températures avec des surfaces de captage réduites.

Le capteur plan vitré
Le capteur plan vitré
Le capteur plan vitré reste le capteur le
plus répandu. Il se compose :
- d’un élément absorbeur, recouvert la
Vitrage
plupart du temps d’un revêtement
sélectif, en contact avec des tubes
Absorbeur
métallique (souvent en cuivre)
véhiculant le fluide caloporteur qui Film
réfléchissant
transporte l‘énergie jusqu‘à l‘extérieur
du capteur
- d’un vitrage pour favoriser l’effet de
serre et réduire les pertes par Isolant
convection. Chaleur
véhiculée par
- -d’un isolant afin de limiter les pertes
le fluide
vers l’extérieur. réchauffé Caisson Rayonnement visible
Pour ce qui est de la structure, ces
Rayonnement IR
éléments peuvent être enfermés dans un
INES –Institut National de l’Energie Solaire 16
caisson ou bien intégrés en toiture. Un
joint d’étanchéité en matériau élastique a pour principale fonction de maintenir l'étanchéité du capteur en empêchant
l'eau de pénétrer quand il pleut.

Comment ça marche ?

Principe de fonctionnement Une partie de l'irradiation solaire qui arrive
sur le vitrage traverse celui-ci pour
Rayonnement E = irradiation atteindre l’absorbeur. Ce dernier s’échauffe
Text réfléchi par le
solaire et transmet la chaleur au fluide caloporteur
vitrage
8 % qui circule dans les tubes.
100 %
8 %
Comme tout corps qui s’échauffe,
1 %
l’absorbeur émet un rayonnement (en
grande partie dans les infra-rouges) qui est
5 %
Convection Tm d’une part absorbé par le vitrage, d’autre
15 % part réfléchi par le film placé sur l’isolant.
L’isolant a pour fonction de limiter les
déperditions thermiques avec l’extérieur.
Eu = chaleur En effet, le maximum d’énergie doit être
emportée par
Rayonnement transmis au fluide, il faut donc limiter les
le fluide 3 %
réchauffé 60 % Pertes thermiques absorbé pertes avec l’environnement proche.
Rayonnement visible
Rayonnement IR
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Des performances mesurées

Bilan thermique d'un capteur
La puissance utile Eu que l’on peut
récupérer d’un capteur solaire dépend de
nombreux paramètres, à savoir des .
ταE=K(Tm−Text)+mCp(Tsortie−Tentrée)
paramètres extérieurs :
E : la puissance solaire incidente sur
le plan du capteur (W/m²) .
Tm : la température moyenne du mCp(Tsortie−Tentrée) ταE−K(Tm−Text)
η= =
capteur (approximée à la moyenne E E
entre les températures d’entrée et de .
sortie de capteur) (en °C). (Tm−Text) E m Cp (Tsortie-Tentrée)
Text : la température extérieure (en η=ατ−K
E
°C)
et des paramètres définissant le capteur :
β : le facteur optique du capteur,
K (Tm-Text)
qui est le rapport entre
l’ensoleillement absorbé par
l’absorbeur et l’ensoleillement
INES –Institut National de l’Energie Solaire 22
incident sur le vitrage. Ce facteur optique est le produit du facteur de transmission du vitrage par le
coefficient d'absorption de l'absorbeur.
K : le coefficient de déperditions thermiques (W/°C)

Courbe de rendement (norme NF P50-501)

Eu = βE -K ( Tm -Text) η = Eu = β-K ( Tm -Text) L’énergie utile est donc égale à la partie de
E E
l’énergie incidente traversant le vitrage
100% moins les déperditions thermiques
Rendement
90% pertes optiques transmission vitrage (proportionnelles à l’écart de température
80% entre le capteur et l’ambiance).
facteur
70% β= τ . α
optique
60% pertes thermiques
50% absorption absorbeur
40%

30% Tm : température moyenne pente = K : coefficient de pertes
20% du capteur
Text: température extérieure
10% E : Irradiation (W/m²)
( Tm -Text) / E
0%

0 0.05 0.1 0.15 0.2

INES –Institut National de l’Energie Solaire 23

Nouvelle norme européenne
Cette nouvelle norme introduit un
deuxième coefficient de pertes
thermiques, afin de mieux prendre en
compte les pertes non linéaires
(rayonnement) :
a : le facteur optique du capteur,
0
a et a : coefficients de déperditions
1 2
thermiques (W/m².K et W/m².K²)

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