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 x 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 m² de capteur. Il faut utiliser
l'irradiance au m² , PAS l'irradiance
sur la totalité du capteurs
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 η0 .
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 :
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η capteur = η0 - a 1 x ( Tm - Text ) ÷ Irradiance
- a 2 x ( Tm - Text ) ² ÷ Irradiance
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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 283°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.