Un système de chauffage solaire se compose essentiellement de trois parties, le collecteur solaire (captation et conversion de l’énergie), le stockage (réservoir ou ballon), et la distribution. Dans ce chapitre, la modélisation des principaux composants (capteur solaire et ballon de stockage) est présentée. Le phénomène de stratification est finement examiné.
Le capteur solaire
Le capteur solaire est un échangeur de chaleur qui fonctionne entre une source radiante, le soleil et un fluide. Son rôle de convertir l\’énergie solaire en chaleur. Cette dernière est dans le cas où elle n\’est pas utilisée directement, stockée dans un réservoir, pour la production d’eau chaude sanitaire (ECS) ou pour le chauffage d’habitations. Il existe différents types de capteurs à eau. – Les capteurs plans de type vitré (figure II.1) sont très répandus et existent sous forme de capteurs à circulation de liquide et de capteurs à air. Ils conviennent à des applications à température modérée (30 à70 °C), ou à des applications qui nécessitent de la chaleur en période hivernale. Les capteurs à circulation de liquide sont plus communément utilisés pour le chauffage de l’eau chaude des résidences et des commerces, pour le chauffage des bâtiments et des piscines intérieures [29]. Figure II.1. Capteur solaire vitré Le capteur sans vitrage est beaucoup plus économique mais moins répandu. Il seulement constitué d\’un absorbeur composé d’une simple plaque sans caisse ni vitrage, dans lequel circule le fluide caloporteur. Le liquide à réchauffer est souvent utilisés pour le chauffage des piscines. Ces dispostif peuvent également être utilisés pour la production d’eau chaude sanitaire dans les régions chaudes et fortement ensoleillées. – Le capteur sous vide (figure II.2), est constitué d’une série de tubes de verre sous vide à l’intérieur desquels se trouve un absorbeur avec un circuit hydraulique, qui capte l’énergie solaire et la transfère au fluide caloporteur. Grâce aux propriétés isolantes du vide, les déperditions de chaleur sont faibles. Ainsi, on peut obtenir des gains de température de 100°C et plus. Ce type de capteur est particulièrement bien adapté aux applications nécessitant des hautes températures [61].
Capteurs à tubes sous vide
Ademe est effectuée une étude [62], comparatifs concernant le rendent de plusieurs types de capteurs solaires. Les résultats obtenus indiqent que (figure II.3) : – les performances, de tous les types de capteurs, baissent quand la température à l’entrée des capteurs augmente car les déperditions thermiques augmentent avec la hausse des températures – Pour produire de l\’eau à 90°C.
Composants d’un capteur
Il se compose des éléments suivants (figure II.4) :
• Le vitrage
C’est une couverture transparente en verre dont le rôle est d’absorbé le maximum de rayonnement solaire et d’une part d’éviter le refroidissement de l’absorbeur, en réduisant les phénomènes de convection de l’air d’autre part. Le matériau le plus utilisé est le verre trempé pour réduire les risques d’accident en cas de bris [41].
• L’absorbeur
C’est généralement un corps noir en métal avec une faible épaisseur, qui présente une bonne conductibilité et une bonne tenue mécanique (résiste à la dilatation et à la corrosion). Cette surface absorbe la plus grande partie du rayonnement solaire, la convertie en chaleur puis la transmet au fluide caloporteur avec un minimum des pertes. L’absorbeur peut être en acier doux, en aluminium ou en cuivre [41]. • L’isolant Le capteur doit être isolé thermiquement avec des matériaux appropriés. Ceux-ci doivent avoir un faible coefficient de conductivité thermique, afin de limiter les pertes thermiques par conduction à travers les faces postérieures et latérales du capteur plan. L’isolation doit généralement avoir une épaisseur de l’ordre de 5 à 10 cm. Les matières isolantes utilisées sont des laines minérales, ou des matières synthétiques (laine de verre, mousses expansives de polyuréthanne ou polystyrène).
• Le fluide caloporteur
Un réseau de canalisation en cuivre dans lequel circule le fluide caloporteur, de l’eau ou de l’eau additionné à de l’antigel est chauffé par l’absorbeur. • Le coffre
Il assure la protection à l’arrière du capteur et participe à sa rigidité et aux chocs éventuels lors du transport et du montage. Les matériaux les plus utilisés, pour constituer le fond du coffre, sont le métal (tôle d’acier ou d’aluminium) et les matières plastiques (polyester).
Capteur solaire plan vitré
Fonctionnement
Un capteur plan utilise l’effet de serre et parvient à récupérer environ 50% de l’énergie incidente. Le rayonnement solaire traverse la vitre et arrive sur l’absorbeur muni d’une surface sélective où il est converti en chaleur. Le fluide caloporteur qui circule dans l’absorbeur véhicule la chaleur captée vers un échangeur de chaleur, à partir duquel elle est transmise au consommateur.