II.2.3. Dimensionnement des composants
Présentation du chauffe-eau solaire
Le circuit est tel que le soleil chauffe un liquide antigel
qui circule entre le capteur solaire et un échangeur thermique
(serpentin) placé dans un réservoir. Celui-ci, bien sûr,
rempli d'eau"sanitaire" qui donc est chauffée par l'autre liquide. La
source d'appoint ne démarre que si l'eau à l'entrée
n'atteint pas une certaine température de consigne. L'eau chaude
produite est directement acheminée pour alimenter l'appareil de
climatisation. En voici, les détails sur la figure ci- dessous.
La figure 18 montre le schéma d'un chauffe-eau solaire.
Figure 18 : Chauffe-eau solaire à appoint
électrique séparé
a) Capteur solaire
Nous pouvons définir le capteur solaire comme
étant un dispositif destiné à recueillir le rayonnement
solaire pour le convertir en énergie thermique et le transférer
à un fluide caloporteur (eau, air). La paroi absorbante doit comporter
deux qualités:"Capter le plus possible et émettre le moins
possible". Pour la suite de notre travail nous dimensionnerons le capteur
solaire plan.
Implantation
Les capteurs solaires peuvent être installés sur
un toit, sur une terrasse d'un immeuble ou sur un emplacement
réservé au sol. Dans tous les cas il est bien évident
qu'il doit être orienté le plus possible face au soleil; cet
emplacement doit donc être dégagé vers le Sud sans ombres
portées par des arbres ou d'autres bâtiments pendant toute
l'année. Le champ des capteurs doit être incliné selon que
le soleil est plus ou moins haut dans le ciel
Schéma : La figure 19 montre le
schéma d'une implantation des capteurs.
Figure 19 : Schéma d'une implantation des capteurs
Légende :
A. Hauteur du soleil
en hiver
B. Hauteur du soleil en
été
C. Implantation
de capteurs en toiture terrasse
D. Implantation de capteurs au
sol
E. Local
technique
F. Liaison hydraulique
entre les capteurs et le local technique
La bonne
inclinaison
L'inclinaison peut se calculer avec précision en
faisant le rapport entre la puissance captée sur une surface verticale
et celle qui tombe sur la même surface placée horizontalement
à chaque période de l'année. L'idéal serait une
double inclinaison pour l'été et l'hiver. Mais comme la chose
n'est guerre praticable, il vaut mieux adopter un compromis plus proche de la
solution de l'hiver plutôt que celle de l'été dans la
mesure où il est préférable que la captation soit optimale
quand la chaleur est plus rare. C'est ainsi qu'il est conseillé une
inclinaison égale à la latitude de l'endroit (car le soleil est
d'autant plus haut dans le ciel qu'on est proche de l'équateur)
augmenté de 10°
Dans le cas d'espèce l'inclinaison sera de:
Ù =
11°29+10°=21°29
Les capteurs solaires implantés sur un toit incliné
comme dans le cas d'espèce seront mieux perçus s'ils sont
intégrés dans la toiture même. Ainsi, les capteurs solaires
seront utilisés pour remplacer la couverture traditionnelle.
Schéma
Coupe du dit capteur solaire intégré au toit
incliné de 21°29
Figure 20 : Capteur solaire intégré au
toit.
Légende :
A. Vitrage
intégré dans la couverture du
toit
B. Absorbeur du capteur
solaire
C. Isolation
thermique
D. Couverture
traditionnelle
E.
Charpente
F. Arrivée d'eau
froide
G. Départ d'eau
chaude
Dimensionnement
Calculons d'abord l'irradiation globale journalière sur un
plan horizontale par la formule (1.3)
G = Go [0,29.Cos (L) +0,25ó]
(1.1) Donne: ó = 
Dans notre contrée SS est estimé à 7h alors
que SSo vaut 12h;
Ainsi : ó = 
= 0,58
L'expression (1.2) donne ä = 23,45° Sin
[0,980(j+284)]
La date j est celle du 8 / Juin, d'où j = 8.
ä = 23,45 Sin
[0,980.292] = - 22,52°
Par la relation (1.5) on a: Cos (ù1) = - tan
(L).tan (ä)
= -tan
(11°29).tan (-22,52)
Cos
(ù1) = 0,08423
.ù1 = 85,16°
L'expression (1.4) donne Go = 3,795.104.Cos
(L).Cos (ä)[Sin(ù1) -
ð.ù1/180.Cos(ù1)]
Go =
3,795.104.Cos(11°29).Cos(-22,52)[Sin(85,16) -
3,14.85,16/180.Cos(85,16)]
Go = 29925, 84 kj/m²
D'où G = 29925,84.[0,29.Cos(11°29)+0,52.0,58] =
17530,406 kJ/m²
Sur une surface inclinée de 21°29 G sera de:
G = 17530,406/Cos (21°29) =
18839,281 kJ/m²
Or la durée effective d'ensoleillement est de 7h soit
25200 secondes, d'où la densité de flux correspondante sera
de:
G* = 18839,281/25200 = 0,747590 kW/m²
G* = 747,59 w/m²
Nous dimensionnons un capteur solaire plan capable
d'élever la température d'un débit d'eau de Tfe
égale à 20°c à Tfs égale à
90°c et dont on connaît:
· Le coefficient d'absorption de la paroi î = 0,8;
· Le coefficient de transmission de la couverture
transparente æ = 0,7;
· Le coefficient caractéristique de gains du capteur
B = 0,75;
· Le coefficient caractéristique de pertes du capteur
K = 7 w/m²/°c;
· La conductivité thermique de la paroi absorbante
â= 22,7 w/m/°c
L'eau circule à la vitesse v = 1,2 m/sec, sa
capacité calorifique cf est de 4180 J/kg°c
Le capteur comporte 14 tubes (n = 14) de 25mm de diamètre
extérieur (De) et dont la distance entre 2 tubes vaut x = 10mm
La principale question consiste à calculer la surface du
capteur. Le problème se resoud par la méthode
itérative:
· On se fixe une valeur"réaliste "de S
· On calcule le flux solaire absorbée par le capteur:
Ôa = G*.î.æ. ;
· On calcule la puissance absorbée par le capteur Pa
= Ôa.S ;
· On calcule la puissance utile du capteur:Pu =
S. [B.G* - K (Tfs - Tfe)];
· On calcule le coefficient global de perte hp = (Pa - Pu)/S
(Tfs - Tfe) ;
· On calcule le rendement de l'ailette F =
Où l² =  ; avec ep
= 5mm:épaisseur de la paroi;
· On calcule le facteur de conductance de l'absorbeur
FR = 
Où: qe:Débit total du fluide dans l'absorbeur
Constitué de n tubes en parallèle [kg/ sec]. Dans
ce cas qe=n.v.s.ö =,14.(0,025)².3,14.1,2.1000/4 =8,12 kg/sec
· On recalcule S= 
· On compare la valeur recalculée à la valeur
de départ. Si la différence dépasse un critère de
convergence (#177;O, 1) on réitère la boucle de calcul en prenant
comme valeur initiale la valeur recalculée. Sinon on arrête les
calculs en retenant le résultat de la dernière boucle
effectuée.
Calculs
Nous effectuons les calculs à l'aide d'un programme en
Excel :
Tableau 1 : Programme en Excel
D'où la surface du capteur est de : Sc
= 6,7 m²
Ainsi donc le rendement optique du capteur est
donné par :
.ço
=Pa/G*.Sc = 2834,26/747,59.6,7= 0,5658
ç0 =
56,58%
Le rendement globale du capteur est donné
par :
.çg =
Pu/G*.Sc = 478,58/747,59.6,7= 0,0955
çg =
9,55%
b) Groupe de transfert
Le groupe de transfert sera essentiellement composé
d'un système de régulation et d'une pompe de circulation.
Principe
Le principe de base de la régulation de cette
installation solaire est simple. Une sonde est située dans le capteur
solaire, une autre dans le bas du ballon d'eau chaude solaire (au 1/9 de la
hauteur de la virole).
Dès que le capteur est plus chaud que le ballon solaire
de quelques degrés, la pompe de circulation est mise en service; des que
les température s'équilibrent la pompe s'arrête. Le
régulateur différentiel est bien approprié pour ces
opérations.
Le rôle du dispositif de régulation est de
commander le transfert de l'énergie captée, seulement si la
température du fluide caloporteur dans le capteur est supérieure
à celle de l'eau contenue dans le ballon de stockage.
Réglage du régulateur
différentiel
Le fonctionnement du régulateur dépend
essentiellement des réglages des différentiels de
températures.
Appelons:
· ?T1:valeur ajustable du différentiel
d'enclenchement du régulateur;
· ?T2:valeur ajustable du différentiel
d'arrêt du régulateur
La circulation du fluide dans le capteur ne peut s'établir
que quand Tcapteur>Tstockage+?T1
La pompe de circulation s'arrête quand
Tcapteur<Tstockage+?T2
Dans le cas d'espèce notre installation est
équipée d'un échangeur extérieur. Dans ce cas la
mise en circulation de l'eau dans le circuit secondaire de l'échangeur
(échangeur - ballon de stockage) nécessite la mise en oeuvre d'un
second circulateur. Ainsi donc la régulation de l'installation sera
assurée par deux régulateurs différentiels R1
et R2.
Schéma de principe
La figure 21 montre le schéma complet de l'installation
solaire.
Ballon de stockage
R1
R2
Tc
T1
Echangeur
Circulateur 1
Circulateur 2
Eau chaude
Capteur solaire
Tstockage
![]()
Figure 21 : Schéma complet de l'installation solaire
Le circulateur du circuit primaire (1) est mis en service lorsque
Tcapteur>Tstockage+?T1 :
· Si T1(température
d'homogénéisation du circuit
primaire)>Tstockage+?T1, le régulateur
R2 commande la mise en service du circulateur du circuit
secondaire.
· Si T1<Tstockage+?T2,
la circulation de l'eau dans le circuit secondaire est interrompue
De manière à assurer les bonnes conditions de
fonctionnement de l'installation, il est conseillé de prendre
?T1=6k et ?T2=2k
L'unité de stockage
Le stockage de l'énergie captée permet de palier
le caractère discontinu de l'énergie solaire.
Pour le dimensionnement du stock, on définit le volume
du stock en fonction de la quantité d'eau chaude nécessaire pour
le besoin de climatisation
Le débit massique d'eau qui circule a été
calculé à:qe=8,12kg/sec; soit qe=
29232kg/h
On a donc un débit de 29,2 litres/h.
Ainsi donc le volume du stock V doit être supérieur
ou égal à 29,2 litres
D'où V = 30 litres
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