Upload
vuongnhu
View
257
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
1
Energies renouvelables aujourd’hui et demainEnergies renouvelables aujourd’hui et demain
Energie solaire thermiqueEnergie solaire thermique
Michel [email protected]
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 1
Quelques références
• John A. Duffie and W. A. Beckmann, Solar Engineering of thermal Processes, 2nd Edition), John Wiley, New York, 1991
• Frank P. Incropera and D. P. Dewitt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer 6th Edition Wiley New York 2006Transfer, 6th Edition, Wiley, New York, 2006
• www.solarenergy.ch
• www.solarpraxis.com
• www.meteotest.ch
• www.sses.ch
• www.estif.org
• www.iea.org
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 2
www.iea.org
• www.energie‐solaire.com
• www.agena‐energies.ch
• www.solar‐islands.com
• www. eurobserv‐er.org
2
Solaire thermique
• Solaire thermique : Conversion DIRECTE du rayonnement Conversion DIRECTE du rayonnement ((irradianceirradiance) solaire en énergie thermique) solaire en énergie thermique((irradianceirradiance) solaire en énergie thermique) solaire en énergie thermique– Chauffage des locaux
– Chauffage de l’eau sanitaire (500500‐‐700 kWh/m700 kWh/m22, 1 m, 1 m22 /pers.,/pers.,5050‐‐100 litres de stock/m100 litres de stock/m22)
– Rafraîchissement, climatisation
– Energie électrique
– Séchage
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 3
– Dessalement
– Etc.
• Solaire photovoltaïque : Conversion DIRECTE du rayonnement solaire en énergie électrique
Rayonnement solaire
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 4
3
Rayonnement solaire
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 5
Suffisant pour approvisionner le
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 6
approvisionner lemonde en électricité(2005)
4
1.1. Rayonnement : bases physiquesRayonnement : bases physiques
22 Types de capteurs thermiques niveau deTypes de capteurs thermiques niveau de
Plan
2.2. Types de capteurs thermiques, niveau de Types de capteurs thermiques, niveau de températuretempérature
3.3. Centrales solaires à concentrationCentrales solaires à concentration
4.4. Applications particulièresApplications particulières
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 7
5.5. PerspectivesPerspectives
Le soleil
• Fusion thermonucléaire(deutérium et tritium qui se
bi t f d l’héli )
• Distance Terre‐Soleil : 1.5 1011 m
• Rayon moyen : 6.95 108 m
é fcombinent pour former de l’hélium) • Température en surface : 5800 K
• Puissance reçue par la Terre(hors atmosphère): 1.7 1017 W
• 1 h de rayonnement solaire équivaut à la consommation mondiale d’énergieen 1 an
• Espérance de vie du soleil: 7.6 milliards d’années
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 8
5
Rayonnement du corps noir(rayonnement émisémis ‐ loi de Plank)
d
chdG ch
12)(
5
2
e Tk
ch
1
)(5
G()d : flux de ray. émis dans le domaine d [ W/m2 ] : longueur d'onde d'émission [m]T : température absolue du corps [K]h : constante de Plank : h = 6.63 10‐34 Jsc : vitesse de la lumière dans le vide : c = 3 108 m/sk : constante de Boltzmann : k = 1.38 10‐23 J/K
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 9
/
Loi de WienRAYONNEMENT DU CORPS NOIR
1.E+06
1.E+07
1.E+08
omèt
re)
T = const
5800 K
1 E+00
1.E+01
1.E+02
1.E+03
1.E+04
1.E+05
1.E 06
Den
sité
d'é
mis
sion
sp
ectr
ale
(W/m
2 m
icro
1000 K
300 K
Dom
aine
vis
ible
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 10
1.E+00
1.E-07 1.E-06 1.E-05 1.E-04
Longueur d'onde (m)
Loi de WienLa longueur d’onde sous laquelle le rayonnement maximalmaximal est émis est fonction de la température de surface du corps rayonnant :
TT == 2.92.9 1010‐‐33 mm KK
6
Rayonnement reçu (sous atmosphère)
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 11
Facteur de réduction entre émission et réception :(dist. Soleil‐Terre/rayon Soleil )2 = 46’00046’000
Course solaire
Hauteur )sin()sin()tcos()cos()cos()sin(
Sud
Azimut
Les valeurs des angles et peuvent être estimés à l'aide des relations suivantes :
: latitude du lieu considéré [‐] : vitesse angulaire de rotation de la Terre
d
)cos(
)tsin()cos()sin(
2
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 12
autour de son axe :
: déclinaison solaire
: vitesse angulaire de rotation de la Terreautour du Soleil :
h24
000 523.avec)tcos(
jours365
2
7
Sion, solstice d'été
60
70
20
30
40
50
Hau
teu
r (d
egré
s)
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 13
0
10
-150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150
Azimut (degrés)
Sion, solstice d'hiver
60
70
10
20
30
40
50
Ha
ute
ur
(de
gré
s)
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 14
0
10
-150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150
Azimut (degrés)
8
Rayonnement solaire disponible
160
180
200
Lausanne ‐ Orientation Sud
40
60
80
100
120
140
160
kWh/m
2 m
ois
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 15
0
20
40
Janv. Fév. Mars Avr. Mai Juin Juil. Août Sept. Oct. Nov. Déc.
Vertical 45 degrés Horizontal
Rayonnement solaire disponible
800
900
1000
Lausanne ‐ Orientation Sud ‐ Janvier
300
400
500
600
700
800
W/m
2
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 16
0
100
200
Gh G45 Gv
9
Rayonnement solaire disponible
900
1000
Lausanne ‐ Orientation Sud ‐ Juin
400
500
600
700
800
W/m
2
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 17
0
100
200
300
Gh G45 Gv
Modèle utilisé par METEONORM
1
En Suisse, pour une surface bien orientée, environ 50 % de irradiation annuelle l’est forme directe
3
2
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 18
5
4
Facteur de réflexion (albedo) :Variable selon les saisonsentre 30 et 90 %
10
Résistances thermiques
21
1TT
Rq • : Flux thermique [W/m2]
• R : Résistance thermique [m2 K/W]• T : Température [K]
q
a) Conduction : R
)
b) Convection, rayonnement thermique :
: conductivité thermique [W/mK]d : épaisseur [m]h : coefficient de transfert thermique [W/m2K]
hconvection = 2.8 + 3.0 v surface extérieure (v : vitesse du vent en m/s)3 0 i é i b b i
d
hR
1
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 19
= 3.0 espace intérieur entre absorbeur et vitre
hrayonnement = 4 F12 T3
Deux plaques parallèles infinies avec des émissivités 1 et 2 : F12 = = 5.67 10‐8 W/m2K4 (Stefan‐Boltzmann) T = température moyenne (en K)
111
1
21
Coefficients d’Emission, d’Absorption, de Réflexion
• Pour un corps noir : = • Pour un absorbeur : + = 1
P b b él tif• Pour un absorbeur sélectif :– est grand (> 0.9) dans le
domaine visible, donc est petit
– est grand (> 0.9) dans le domaine infrarouge
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 20
11
Rayonnement à travers un vitrage
Vitrage IntérieurExtérieur
Emission secondairel'i é i
Emission secondairel' é i
Irradiance (ray. global) G
vers l'intérieurvers l'extérieur
Absorption G Transmission
globale g G
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 21
Réflexion G Transmission directe G
Capteur plan non vitré
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 22
12
Capteur plan non vitré : modèle simplifié
amrayconv
im TTRR
TTVcG
112
• a : Coefficient d’absorption 0.9• G : Flux du rayonnement solaire 800 W/m2
• c : Chaleur massique de l’eau 4200 J/kg K• : Débit massique spécifique 0.035 kg/s m2
• Tm : Température moyenne du capteur• Ti : T de l’eau à l’entrée du capteur 30 0C• Rconv : Résistance à la convection 0.07 m2 K/W• R : Résistance au rayonnement (sélectif) 2 m2 K/W
V
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 23
• Rray : Résistance au rayonnement (sélectif) 2 m2 K/W
• Tm = 32.5 0C
• rendement = = 84.5 % G
TTVc im 2
Capteur plan non vitré : selon fiche descriptive(Solardach AS+)
G
TTxavecGxbxb am
2210
• Tm = 32.5 0C• Ta = 20 0C• G = 800 W/m2K• x = 0.0156 m2 K/W• 0 = 0.959• b1 = 8.91 W/m2K• b2 = 0.047 W/m2K2
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 24
• = 81.1 %
13
Capteur plan vitré
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 25
Capteur plan vitré
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 26
14
Capteur plan vitré
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 27
Capteur plan vitré : selon fiche descriptive(Cobralino Evo)
G
TTxavecGxbxb am
2210
• Tm = 52.5 0C• Ta = 20 0C• G = 800 W/m2K• x = 0.0406 m2 K/W• 0 = 0.817• b1 = 3.84 W/m2K• b2 = 0.0084 W/m2K2
• G 800 W/m2K
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 28
• G = 800 W/m2K
• = 65 %
15
Capteur sous vide
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 29
Capteur sous vide : selon fiche descriptive(Soltop T6‐DF)
G
TTxavecGxbxb am
2210
• Tm = 82 0C• Ta = 20 0C• G = 800 W/m2K• x = 0.0775 m2 K/W• 0 = 0.753• b1 = 1.42 W/m2K• b2 = 0.0071 W/m2K2
• G 800 W/m2K
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 30
• G = 800 W/m2K
• = 61 %
16
77%80%
90%
100%
Rendements types de capteurs thermiques
75%
73%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 31
0%
10%
Capteur sans vitrage, selectif Capteur plan vitré Capteur sous vide
Capteurs à concentration
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 32
17
Capteurs à concentration
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 33
Capteurs à concentration
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 34
18
Capteurs à concentration
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 35
Capteurs à concentration : Moteur de Stirling
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 36
19
Capteurs à concentration : Miroirs de Fresnel
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 37
Capteurs à concentration :Miroir parabolique
(Egypte)
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 38
20
Capteurs à concentration : Andasol
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 39
Capteurs à concentration : Andasol
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 40
21
Capteurs à concentration(Nora Pitteloud)
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 41
Capteurs à concentration (PS20, Séville)
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 42
22
Capteurs à concentration : Themis(Targassonne)
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 43
Capteurs à concentration : Themis
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 44
23
Le projet DESERTEC
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 45
Le projet DESERTEC
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 46
Dessalement, Climatisation, Electricité
24
« Iles solaires »un concept du CSEM
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 47
Conversion d’énergie thermique en travail(Carnot ‐ 1834)
• Il faut du CHAUDCHAUDIl faut du CHAUDCHAUDet du FROIDFROIDpour produire du travail
• Rendement maximal :
chaud
froidimalmax T
T1
Q
W
chaud
froidQ
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 48
• Les effets d’échangeur
chaud froid
chaud
froid.endorév T
T1
25
Production de froid à partir de chaleur (solaire)
Q
Wchaud
froidtiède
tièdechaud
chaud
froidimalmax TT
TT
T
TCOP
tiède
Q
W
tièdeQ’
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 49
Qfroid
Production de froidOrdres de grandeur des COP
T_chaud (oC) T_froid (oC) COP_endorév.
200 20 2.9
200 5 1.1
200 0 0.9
100 20 1.5
100 5 0.6
100 0 0.5
50 20 0.5
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 50
50 5 0.2
50 0 0.1
26
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 51
Ref. N. Poize
Dessalement d‘eau
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 52
27
Dessalement d‘eau
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 53
Dessalement d‘eau
2 à 5 litres d‘eau par jouret par m2 suivant l‘ensoleillement
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 54
28
1. Capteurs solaires
Systèmes solaires
1. Capteurs solaires2. Conduites hydrauliques3. Flasque de nettoyage4. Régulation automatique5. Circulateur solaire à débit variable6. Chauffe‐eau sanitaire7. Echangeur de chaleur chaudière8. Appoint électrique (option)9. Echangeur de chaleur solaires
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 55
10. Appoint chaudière11. Mitigeur thermostatique12. Entrée eau froide13. Sortie eau chaude14. Eau chaude mélangée
Systèmes solaires
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 56
29
Stockage de la chaleur
• Hypothèses : – Stock eau liquideStock eau liquide
– Cylindre „optimal“ (Rayon = ½ Hauteur)
– Epaisseur d‘isolation : d = ½ Rayon
• Durée de stockage
Hauteur [m] Rayon [m] disol [m] V [m3] Durée [jour]
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 57
0.5 0.25 0.125 0.1 1
1 0.5 0.25 0.8 5
2 1 0.5 6.3 20
10 5 2.5 785 500
Stockage de la chaleur
• Un stock aux dimensions imposantes– Permet d’y loger une grande quantité de chaleurPermet d y loger une grande quantité de chaleur
– Assure une grande durée de stockage
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 58
30
• Installation pour la production d’ECS (villa individuelle)– 10’000 à 14’000 CHF
Installations solaires thermiques : Aspects financiers
– 10 000 à 14 000 CHF
– Temps de retour sur investissement < à 15 ans
• Production d’ECS (bât. collectif, centre sportif,…)– 1’200 à 1’500 CHF par m2 de capteurs
– Temps de retour sur investissement entre 10 et 15 ans
• Installations solaires combinées ECS et chauffage30’000 à 35’000 CHF ( h diè d’ i t) ill
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 59
– 30’000 à 35’000 CHF (sans chaudière d’appoint) pour une villa individuelle
• Piscines– 1’000 à 1’200 CHF par m2 de capteurs
0.30
0.35
Energies finales pour quels usages (2006)
Perspectives
0.10
0.15
0.20
0.25
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 60
0.00
0.05
Ind Transp. Ménages Services Agri et al.
CH Monde
31
0.70
0.80
Ménages et Services
Perspectives
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 61
0.00
0.10
Electricité Chauffage
0.60
0.70Industrie - Répartition Chaleur / Electricité
Perspectives
0.20
0.30
0.40
0.50
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 62
0.00
0.10
Chaleur Electricicté
32
Perspectives
0.1 m2 par personne !
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 63
Perspectives
• Le Suisse utilise 50 kWh de chaleur par jour, c’est‐à‐dire 18’000 kWh18’000 kWh par année (ménages, services, industries)18 000 kWh 18 000 kWh par année (ménages, services, industries)
• Pour couvrir ces besoins, il lui faudrait donc 30 m30 m22 de capteurs de capteurs solairessolaires
• Or, il n’en possède en réalité que 0.1 m0.1 m22
ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 64
•• Il y donc du travail, pour chacun et pour longtemps !Il y donc du travail, pour chacun et pour longtemps !