RENDEMENT  DES  CAPTEURS  THERMIQUES


 

 

Malheureusement,  toute  l'irradiation  solaire  reçue  sur  le  capteur  n'est  pas  utilisable.

Une  partie  du  rayonnement  solaire  est  réfléchi  par  la  vitre  du  capteur,  une  autre  partie  par  l'absorbeur.

 

En  s'échauffant,  la  vitre  du  capteur  et  l'absorbeur  émettent  également  un  rayonnement  Infra-Rouge  dont  une  partie  est  également  perdue.

 

A  cela  se  rajoutent  les  pertes  thermiques  par  conduction,  à  travers  l'isolant  et  le  caisson  du  capteur,  ainsi  qu'une  partie  plus  négligeable,  par  convection.


Désignations  des  surfaces  ( Source VIESSMANN )

La  " surface  brute "  d'un  capteur  correspond  à  ses  dimensions  extérieures.  La  connaissance  de  cette  surface  est  nécessaire  à  la  bonne  implantation  des  capteurs.

 

La  " surface  d'ouverture "  désigne  la  surface  vitrée  du  capteur  par  laquelle  le  rayonnement  solaire  peut  passer.  c'est  la  mesure  de  référence  couramment  utilisée  pour  calculer  le  rendement  du  capteur.

 

La  surface  d'absorption  correspond  à  la  surface  active  de  l'absorbeur.


Rendement  d'un  capteur  (Norme NF  P50-501)


La  norme  française  prend  en  compte   le  facteur  optique  " β "  du  capteur  et  le  coefficient  de  transmission  thermique  " k ".

FACTEUR  OPTIQUE

Le  facteur  optique   " β "  correspond  au  rapport  entre  le  rayonnement  solaire   qui  tape  sur  la  surface  vitrée  du  capteur  (surface  d'ouverture)  et  le  rayonnement  qui  peut  réellement  être  transformé  en  chaleur  par  l'absorbeur.  Il  est  généralement  donné  par  le  fabricant.

 

Lorsque   β =  0,85 ,  seulement  85 %  du  rayonnement  solaire  réfléchi  sur  la  vitre  est  réellement  récupérable  par  l'absorbeur.  Les  pertes  optiques  sont  donc  de  15%.

 

Le  facteur  optique  compose  deux  caractéristiques  : 

- le  taux  de  transmission  du  vitrage,  τ

 - le  taux  d'absorption  de  l'absorbeur,  α

 

   β =   α  τ

COEFFICIENT  DE  TRANSMISSION  THERMIQUE

Le  coefficient  de  transmission  thermique  " K "  prend  en  compte  les  déperditions  thermiques   pour  1 m²  de  l'absorbeur.  Ces  déperditions  sont  proportionnelles  à  l'écart  entre  la  température  dans  le  capteur  et  la  température  extérieure.

 

pertes  thermiques  =  k  x  ( Tm - Text )

 

où  Tm  correspond  à  la  température  moyenne  du  capteur  :  Tm = ( Te + Ts )  ÷ 2

et  Text  à  la  température  de  l'air  à  l'extérieur  du  capteur

EXEMPLE  1  :   Prenons  un  capteur  recevant  une  Irradiance  solaire  de  700 W / m².  

Surface  d'ouverture  capteur  de  2 m²,  facteur  optique  β =  0,82 

et  coefficient  de  transmission  thermique  K = 5,10 W / m².K

 

 L'eau  glycolée  entre  à  55°C  dans  le  capteur  pour  en  ressortir  à  65°C.

La  température  extérieure  est  de  30°C.

 

 

β = P absorbeur  ÷  Irradiance 

donc  P absorbeur =  β x  Irradiance  =  0,82 x  700  = 574 W / m²

 

 Sur  ces  700 W / m²,  seulement  574 W / m²  arrivent  à  l'absorbeur.  Mais  l'absorbeur  ne  fournit  pas  toute  cette  puissance  à  l'eau  glycolé,  car  il  est  aussi  sujet  à  des  pertes  thermiques.

 

Pertes  thermiques  =  K  x  ( Tm  -  Text ) 

Pertes  thermiques  =  5,10 x  ( 60 - 30 )  =  153 W / m²

 

Au  final,  P utile =   P absorbeur  -  pertes  thermiques  =  574  -  153  =  421 W / m²

 

La  surface  d'ouverture  du  capteur  étant  de  2 m²,  842 W / capteur  seront  restitués  à  l'eau  glycolée.                   421 x 2 = 842



CALCUL  DU  RENDEMENT  GLOBAL  DU  CAPTEUR

Nous  retiendrons  ces  deux  formules  d'usage  pour  la  norme  française  :

____________________________________________________________

η capteur  =  β  -  K  x  ( Tm  -  Text )  ÷  Irradiance  au m²

η capteur  =  P utile  ÷  Irradiance 

____________________________________________________________

où  Tm  correspond  à  la  température  moyenne  dans  le  capteur

et  Text  à  la  température  à  l'extérieur  du  capteur

ATTENTION  !   K  x  ( Tm - Text)   correspond   aux   pertes  thermiques  pour  1    de  capteur.   Il  faut  utiliser  l'irradiance  au  m² ,  PAS  l'irradiance  sur  la  totalité  du  capteur

EXEMPLE  2  :   Reprenons  le  même  capteur  avec  les  mêmes  conditions  d'ensoleillement.

 

1- On  peut  calculer  le  rendement  global  du  capteur  en  appliquant  la  formule :

 

η capteur  =  β  -  K  x  ( Tm  -  Text )  ÷  Irradiance  au m²

 

η capteur  =  0,82  -  5,10  x  ( 60 - 30 )  ÷  700  =  0,601

η capteur  =   60,1  %

 

2-  On  peut  maintenant  calculer  la  puissance  utile,  puissance  réellement  récupérée  dans  1 m²  de  capteur  par  l'eau  glycolée.

P utile =  η capteur  x   Irradiance  =  0,601  x  700  =  421 W / m²

 

3-  Il  ne  reste  plus  qu'à  ramener  ce  résultat  à  la  surface  totale  du  capteur  pour  déterminer  la  puissance  utile  du  capteur.

 Pu capteur =  Surface  d'ouverture  capteur  x   P utile  au  m²  =  2  x  421  =  842 W 



Remarque  :  On  peut  aussi  calculer  la  puissance  utile  récupérée  par  l'eau  glycolée  en  mesurant  son  débit,  ses  températures  d'entrée  et  de  sortie,  en  appliquant  la  formule  :

P utile  =  q  x  c  x  ( Te  -  Ts )

 

à  condition  de  connaître  la  chaleur  massique  " c "  de  l'eau  glycolée,  sensiblement  différente  de  celle  de  l'eau.

 

Les  compteurs  permettant  de  connaître  l'énergie  solaire  réellement récupérée  mesurent  le  débit  " q ",  les  températures  " Te "  et  " Ts "  et  appliquent  cette  formule.



ÉVOLUTION  DU  RENDEMENT


Le  rendement  d'un  même  capteur  n'est  pas  une  caractéristique  stable.  Il  fluctue  en  fonction  de  deux  grandeurs  :

 

- l'écart  entre  la  température  moyenne  du  capteur  et  la  température  à  l'extérieur  du  capteur  

 

-  l'irradiance  solaire,  qui  fluctue  elle-même  en  fonction  des  conditions  météorologiques

 

Pour  mieux  comprendre  cette  évolution,  on  peut  se  reporter  à  la  courbe  du  rendement  ci-dessous.

Le  rendement  est  optimal  lorsque  les  pertes  thermiques  sont  nulles,  ce  qui  est  possible  seulement  lorsque  la  température  moyenne  du  capteur  et  égale  à  la  température  extérieure.

 

η max  =  β    lorsque   Tm  =  Text

 

Plus  cette  différence  de  température  sera  faible,  meilleur  sera  le  rendement.

Plus  l'irradiance  sera  élevée,  meilleur  sera  le  rendement.

 

En  résumé,  lors  de  la  conception  d'une  installation  solaire  thermique,  il  est  important  de  privilégier  un  schéma  hydraulique  favorisant  des  retours  d'eau  glycolée  "froids"  vers  le  capteur  solaire,  pour  abaisser  sa  température  moyenne.

EXEMPLE  3  :   Reprenons  ENCORE  le  même  capteur 

avec  les  mêmes  conditions  d'ensoleillement.

 

Pour 1 m²  de  capteur,     ( Tm  -  Text )  ÷  Irradiance  ( 60 - 30 )  ÷  700  =  0,0429 m².K / W

 

On  peut  alors  retrouver  notre  rendement  capteur  sur  la  courbe  du  rendement.

  η capteur  60 %



Rendement  d'un  capteur  (Norme EN  12975-2)


La  norme  européenne  permet  de  calculer  le  rendement  du  capteur  avec  plus  de  précision,  même  si  au  final,  les  résultats  sont  très  rapprochés  de  ceux  obtenus  avec  la  norme  NF.

 

On  ne  parle  plus  de  facteur  optique β,  mais  de  rendement  optique  η .

On  ne  prend  plus  en  compte  un  seul  coefficient  de  transmission  thermique  k,  mais  de  deux  coefficients  de  perte  thermique  a 1 (1er ordre)  et  a 2  (2ème ordre).

 

Nous  appliquerons  pour  la  norme  européenne  la  formule :

____________________________________________________________

η capteur  =  η0   -  a 1  x  ( Tm  -  Text )  ÷  Irradiance 

-  a 2  x  ( Tm  -  Text ) ²  ÷  Irradiance

  ____________________________________________________________

Les  courbes  de  rendement  des  capteurs  obtenues  avec  cette  formule  ne  sont  plus  des  droites,  mais  incurvées  (morceaux  de  paraboles ).

Comparons  ci-dessus  les  courbes  de  rendement  de  3  types  de  capteur :

 

On  constate  que  plus  on  souhaitera  une  température  de  fluide  élevée  dans  le  capteur,  plus  on  aura  intérêt  à  prendre  un  capteur  à  tubes  sous  vide.

 

A  contrario,  à  température  de  fluide  souhaitée  proche  de  la  température  extérieure,  le  capteur  "Moquette"  devient  le  plus  efficace.

 

Il  serait  donc  bête  d'utiliser  des  capteurs  plan  vitrés  ou  des  capteurs  à  tubes  sous  vide  pour  chauffer  l'eau  d'une  piscine  à  moins  de  30°C.  En  plus  de  coûter  plus  chers,  ils  seraient  moins  efficaces  qu'un  capteur  "Moquette".



Température  de  stagnation


Pour  un  même  capteur,  on  peut  tracer  un  réseau  de  courbes    pour  divers  valeurs  de  l'irradiance solaire.  Le  rendement  est  représenté  en  fonction  de  l'écart  entre  température  extérieure  et  la  température  moyenne  du  fluide  dans  le  capteur.

STAGNATION  DANS  UN  CAPTEUR  à  TUBES  SOUS  VIDE

ATTENTION  à  ne  pas  confondre  Température  de  STAGNATION  et  Température  d' ÉVAPORATION.

La  température  de  stagnation  correspond  à  la  température  de  l'eau  glycolée  dans  le  panneau  solaire  à  débit  nul  (arrêt  de  la  pompe).

 

ICI,   pour  une  irradiance  de  600 W / m²,   T°m  -  T°ext  =  182°C

si  T°ext = 25°C,  la  température  de  stagnation  =  T°m  =  182°C  +  T°ext =  182°C  +  25°C  =  207°C

 

A  la  même  température  extérieure,  pour  une  irradiance  maximale  de  1 000 W / m²,

la  température  de  stagnation  serait  de  293°C

 

La  vaporisation  de  l'eau  glycolée  est  inévitable  dans  ce  type  de  capteur.

Il  faudra  faire  attention  à  ne  pas  surdimensionner  l'installation solaire 

pour  réduire autant  que  possible  les  périodes  de  surchauffe

STAGNATION  DANS  UN  CAPTEUR  PLAN  VITRÉ

Pour  une  irradiance  de  600 W / m²,   T°m  -  T°ext  =  93°C

Si  T°ext = 25°C,  la  température  de  stagnation  =  T°m  =  93°C  +  T°ext =  93°C  +  25°C  =  118°C

 

A  la  même  température  extérieure,  pour  une  irradiance  maximale  de  1 000 W / m²,

la  température  de  stagnation  sera  de  171°C

 

La  vaporisation  de  l'eau  glycolée  est  inévitable  dans  ce  type  de  capteur.

Il  faudra  faire  attention  à  ne  pas  surdimensionner  l'installation solaire 

pour  réduire autant  que  possible  les  périodes  de  surchauffe

STAGNATION  DANS  UN  CAPTEUR  "MOQUETTE"

Pour  une  irradiance  de  600 W / m²,   T°m  -  T°ext  =  52°C

Si  T°ext = 25°C,  la  température  de  stagnation  =  T°m  =  52°C  +  T°ext =  52°C  +  25°C  =  77°C

 

A  la  même  température  extérieure,  pour  une  irradiance  maximale  de  1 000 W / m²,

la  température  de  stagnation  serait  de  111°C

ÉVAPORATION  DANS  LES  CAPTEURS

Dans  une  installation  solaire,  la  pression  relative  est  toujours  au  minimum  de  1  bar

(2 bars absolue)  en  bas  de  l'installation,  au  vase  d'expansion

A  cette  pression,  Il  faut  donc  que  la  température  dépasse  120°C 

pour  que  l'eau  glycolée  se  vaporise.

Même  à  la  température  de  stagnation  de  111°C,  iI  n'y  a  pas  de  risque  d'évaporation  dans  un  capteur  "moquette". 

 

La  vaporisation  de  l'eau  glycolée  est  inévitable  dans  les  capteurs  plans  vitrés  et  dans  les  capteurs  à  tubes  sous  vide,  lors  de  trop  longues  périodes  de  stagnation.

Il  faudra  faire  attention  à  ne  pas  surdimensionner  l'installation  solaire  pour  réduire  autant  que  possible  les  périodes  d'arrêt  de  la  pompe.

 

La  vaporisation  ne  doit  par  contre  en  aucun  cas  se  produire  lorsque  la  pompe  fonctionne.

Pour  cela,  il  faut  s'assurer  que  la  pression  dans  les  capteurs  soit  inférieure  à  la  pression  vapeur  à  la  température  maximale  de  fonctionnement.

 

Cette  température  maximale  admissible  en  fonctionnement  est  généralement  de  120°C  pour  les  chauffe-eau  solaires  et  les  systèmes  solaires  combinés.

Il  faudra  donc  une  pression  de  gonflage  du  vase  d'expansion  suffisante  pour  qu'il  y  ait  au  moins  une  pression  relative  de  1,8  bars  dans  les  capteurs,  donc  au  niveau  du  vase  une  pression  relative  de  1,8  bars  majorée  de  la  hauteur  d'eau  de  l'installation.



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