Comment chauffer l'eau avec l'énergie solaire

Description brève

• Idée: chauffer l'eau avec l'énergie solaire
• Difficulté: élevée
• Gamme de prix: élevée
• Zone géographique: climat tempéré

Introduction

L'eau chaude est nécessaire pour de nombreux usages et le soleil peut être utilisé de manière efficace et économique pour fournir cette chaleur. L'effet de réchauffement du rayonnement solaire est évident et il est bien connu que l’eau froide d’un contenant exposé au soleil se réchauffera. Les chauffe-eaux solaires sont conçus pour rendre l'utilisation pratique de ce phénomène.

Les chauffe-eaux solaires emploient généralement un capteur solaire et un réservoir de stockage. Le chauffe-eau solaire collecteur est de loin le dispositif de conversion d'énergie solaire le plus répandu. Plusieurs millions sont en usage dans le monde entier. Il existe de nombreux modèles de capteurs simples et de systèmes de chauffe-eaux. La construction et la fabrication est facilement réalisable dans la plupart des pays en développement.

L'énergie nécessaire pour élever la température d'une substance est une propriété physique appelée la chaleur spécifique de la substance en particulier. La chaleur spécifique de l'eau est 4.2J / g /^oC, soit 4,2 joules d'énergie sont nécessaires pour élever la température d'un gramme d'eau d'un degré centigrade. L’utilisation d’unités plus grandes et plus familières:

L'énergie requise (kJ) = 4,2 x volume (litres) x augmentation de la température (^oC)

Ainsi, afin d'examiner les sources d'énergie pour le chauffage de l'eau, les paramètres qui doivent être connus sont le volume d'eau nécessaire dans une période donnée (heure, jour), la température de l'eau «froide», et la température de livraison requise. L'eau chaude peut être utilisée pour une variété de demandes, mais à titre d'exemple, l'usage domestique est considérable. Ici, l'utilisation est très variée; dans les pays industrialisés une moyenne d'environ 50 litres par personne et par jour est normal, dans les pays en développement les habitants les plus riches peuvent utiliser cette somme ou plus, tandis que les pauvres ne peuvent pas utiliser d'eau chaude du tout.

Exemple

Pour les comparaisons qui suivent une exigence quotidienne pour 100 litres d'eau à 60^oC avec une température de l'eau ambiante de 20 °C est utilisée. Ainsi, le besoin en énergie est la suivante:

4.2 x 100 x (60 - 20)	= 16,800kJ
= 16.8MJ

Il est plus commode pour les exemples qui suivent pour mesurer l'énergie en kWh. Pour convertir les mégajoules (MJ) en kWh divisez par 3,6 (1 kWh = 3.6MJ) ainsi 16.8MJ = 4,7 Kwh.

C'est la quantité d'énergie qui doit être mise dans l'eau. Avec de nombreux systèmes de chauffe-eaux pas toute l'énergie consommée sert à chauffer l'eau, c'est à dire il y a des pertes de chaleur - le processus n'est pas efficace à 100%. Quelques exemples sont donnés ci-dessous. Le chauffage par résistance électrique est presque efficace à 100%. Ainsi, pour chauffer l'eau dans l'exemple ci-dessus - 100 litres par une élévation de température de 40^oC - exigerait 4,7 Kwh d'électricité, ou par exemple un 1 kW pour près de cinq heures.

Bien que l'électricité est efficace à l'eau de chauffage, elle est coûteuse et n'est pas disponible partout. L'eau est généralement chauffée par la combustion de carburant. Une huile (kérosène) ou un gaz pour le chauffe-eau a une efficacité d'environ 50%, tandis que le chauffage de l'eau sur un feu ouvert a un rendement d'environ 10%. Dans ce dernier cas, pour chauffer 200 litres d'eau à 40^oC, il faudrait au feu de bois avec une valeur calorifique, ce qui équivaut à 100 kWh pour environ 10 kg de bois de peu d’humidité (15%).

Par comparaison, un chauffe-eau solaire simple pourrait avoir une efficacité d'environ 30%. Sur une journée très ensoleillée, l'énergie solaire reçue peut être 6kWh/msup>2</sup>. Ainsi, pour chauffer 100 litres d'eau à 40^oC, il faudrait un capteur solaire d'une superficie de 4,7 / (6 x 0,3) = 2.6sup>2</sup>.

En général:

L'exemple ci-dessus ne vise qu'à donner une indication approximative. L'énergie disponible à partir du soleil et les caractéristiques de performance des capteurs solaires varient d'une manière complexe et les généralisations doivent être utilisées avec prudence.

La disponibilité de l'énergie solaire

La densité de puissance de l'énergie solaire atteint un maximum d'environ 1000W/m² au niveau de la mer. Elle est composée de deux éléments, le rayonnement du faisceau direct du soleil et du rayonnement diffus du ciel (rayonnement qui a été diffusé par l'atmosphère). Sur une énergie diffuse lors de temps clair, elle peut s'élever à 15-20% d’éclairement énergétique global alors que lors d’une journée nuageuse, elle sera à 100%.

L’éclairement global varie tout au long de la journée parce que la longueur du trajet du rayonnement solaire à travers l'atmosphère change. Pour la même raison, il y a des variations selon la saison et la latitude. L'énergie solaire totale reçue en un jour (connue sous le nom d'insolation ou d'irradiation solaire) peut varier, en hiver au Royaume-Uni, de 0.5kWh m2 à 5kWh / m² et en été, au Royaume-Uni, peut être aussi élevée que de 7kWh/m² dans les régions désertiques du monde. De nombreuses régions tropicales n'ont pas de grandes variations saisonnières et peuvent recevoir une moyenne de 6kWh / m²/jour toute l'année.

Cette variabilité est un aspect important de l'énergie solaire parce qu'elle influe sur la conception du système et l'économie de l'énergie solaire. La taille du capteur solaire nécessaire pour une application particulière dépend de l'emplacement envisagé.

La technologie

Lorsque l'énergie rayonnante frappe la surface d'un objet, une proportion est reflétée, (en fonction de l'angle d'incidence et de la nature de la surface), une partie est absorbée et une partie peut être transmise par l'objet. Avec quelques exceptions importantes, comme les cellules photovoltaïques, l'énergie du rayonnement absorbé est rapidement dégradée à la chaleur.

L'équilibre entre l'apport d'énergie absorbée et la perte de chaleur dans l'environnement détermine la température atteinte. La perte de chaleur augmente avec la température et limite la température extrême atteinte par un système collecteur. Il permet également de réduire la proportion de chaleur utile extractible à partir du système. Les températures maximales et l’énergie de sortie maximale sont obtenues lorsqu’un objet bien isolé est exposé à une forte intensité du rayonnement solaire. Une large gamme de systèmes, conçus pour répondre à une variété de besoins et de situations, ont été développés et nombreux sont disponibles commercialement.

Le dispositif de chauffage solaire le plus connu est le capteur plan, qui est largement utilisé pour le chauffage de l'eau dans de nombreuses régions du monde. Le capteur plan absorbe autant que possible de l'énergie solaire incidente qui arrive sur elle. Dès que le collecteur est en position fixe, la plaque est presque perpendiculaire au rayon de la lumière solaire (et donc une absorption maximum) pour une partie seulement du temps. Le niveau d'énergie reçue varie donc plus fortement avec le temps et la saison que ne le fait l’intensité réelle du rayonnement solaire. Parce que des grandes zones sur lesquelles la chaleur peut être perdue, la rétention de la chaleur et donc l'efficacité de collecte, diminue rapidement avec la hausse de la température de collecte. Depuis l'eau domestique est normalement nécessaire à seulement environ 50^oC, ce qui n'est normalement pas un problème.

Un collecteur plan simple est illustré à la figure 1. Il est composé de:

• un absorbeur qui est peint en noir et dont la chaleur est évacuée par un fluide de transfert de chaleur
• un couvercle transparent pour l'isolation du rayonnement solaire
• une isolation à l'arrière et sur les côtés de l'absorbeur
• un revêtement pour protéger l'amortisseur et son isolation.

Figure 1: un collecteur plan simple

L'absorbeur peut être fait d'une large gamme de matériaux, y compris le cuivre, l’acier inoxydable, l’acier galvanisé, l'aluminium et les plastiques. Lors du choix d'un matériau absorbant, il est important de s'assurer qu'il est compatible, du point de vue de la corrosion, avec les autres composants du système et avec le fluide caloporteur utilisé. L'absorbeur doit aussi être capable de résister à la température la plus élevée qu'il pourrait atteindre un jour de soleil en l'absence de fluide s'écoulant dans le collecteur (connu sous le nom de température en stagnation).

Les passages de fluide de l'absorbeur peuvent être composés de tubes collés à une plaque absorbante, ou faire partie intégrante de l'absorbeur.

L'expérience a montré qu’un simple serrage mécanique des tubes d’une plaque d’absorbeur est comme un absorbeur de faible efficacité. Une bonne liaison thermique, comme une brasure ou soudure à haute température est nécessaire pour le tube et les plaques afin d'assurer un bon transfert thermique de la surface absorbante dans le liquide.

Des peintures noires mattes sont couramment utilisées pour amortisseur des surfaces parce qu'elles sont relativement bon marché, simple à appliquer et peut être facilement réparée. Les peintures, cependant, ont l'inconvénient d’être généralement des émetteurs de rayonnement thermique (infrarouge), et à haute température, cela entraîne des pertes importantes de chaleur à l'avant du collecteur.

Les pertes de chaleur du collecteur peuvent être considérablement réduites par l'utilisation de revêtements absorbant appelé «surfaces sélectives ». Ces surfaces peuvent être appliquées par électrodéposition ou par trempage d’un absorbeur en métal dans des produits chimiques appropriés pour produire un film mince semi-conducteur à la surface. Le film mince sera transparent au rayonnement solaire, mais en même temps, il semble être opaque au rayonnement thermique. Toutefois, ces surfaces ne peuvent pas être produites ou appliquées facilement.

Les capteurs plans ont généralement un revêtement transparent en verre ou en plastique. Un revêtement est nécessaire pour réduire les pertes de chaleur à l'avant du collecteur et pour protéger l'absorbeur et l'isolant des intempéries. La plupart des revêtements se comportent comme un effet de serre. Ils permettent au rayonnement solaire de passer dans le collecteur, mais ils absorbent le rayonnement thermique émis par l'absorbeur chaud.

Un chauffe-eau solaire est essentiellement constitué d'un capteur plan et un réservoir de stockage d'eau. L'arrangement le plus simple est illustré à la figure 2. En cela, le réservoir est placé à un niveau plus élevé que le collecteur, de sorte que l'eau chaude passe du collecteur au réservoir et incite la circulation naturelle par convection (thermosiphon). Ces systèmes peuvent être très fiables, à condition que le diamètre du tuyau soit adéquat et qu’il n'y ait pas de virages serrés. C'est la conception la plus courante de chauffe-eau solaires utilisés dans les pays en développement.

La nuit, il est possible que les collecteurs perdent la chaleur par rayonnement et la circulation sera en sens inverse, ainsi l'eau refroidira. Cela peut être surmonté par l'utilisation d'une soupape de non-retour appropriée. Cependant, il y a un danger avec les collecteurs solaires lorsqu'ils sont utilisés dans des conditions de nuit claire (par exemple dans les zones arides et semi-arides). Ils peuvent réellement geler, même lorsque la température ambiante est au-dessus du point de congélation. Dans ces conditions, il peut être nécessaire d'avoir un circuit primaire à travers le collecteur rempli d'antigel et d'un cylindre séparé d'eau chaude indirecte où l'eau du collecteur passe à travers un serpentin de cuivre pour chauffer l'alimentation principale en eau. Ce problème ne s'applique que dans certaines régions désertiques pendant la saison froide ou à haute altitude dans les régions tropicales et sub-tropicales.

Figure 2: chauffe-eau solaire

Les capteurs solaires plans coûtent £150 livres par mètre carré et un système installé par un professionnel coûte environ £2’000 ou plus. Au Royaume-Uni, l'économie est marginale car économiser en carburant correspond à environ £100 par an. Toutefois, dans les endroits ensoleillés, des périodes de récupération de quelques années sont possibles. L'utilisation de chauffe-eau solaire permet de brûler d'autres combustibles et est donc bénéfique pour l'environnement.

Frais

Flat-plate solar collectors typically cost £150 per square metre and a professionally installed system costs around £2,000 or more. In the UK, the economics are marginal because savings on fuel will be approximately £100 a year. In sunnier locations, however, payback periods of just a few years are possible. The use of solar water heating displaces the burning of other fuels and hence is beneficial to the environment.

Références et autres lectures

Cette entrée Howtopedia est dérivée de Practical Action Technical Brief Solar Water Heating - Technical Brief .
Pour consulter le document original, suivez ce lien: http://www.practicalaction.org/?id=technical_briefs_water

Les publications suivantes fournissent plus de détails, elles sont faciles à comprendre et donnent des informations sur le chauffe-eau solaire.

• Solar Water Heating: A D-I-Y Guide CAT Publications - 1999
• Heating Water by the Sun UK-ISES 1981
• Solar Domestic Hot Water by Plante R H Wiley and Sons - 1983
• Practical Solar Heating McCarthy K/Ford B - - Prism Press - 1978

James and James produit quelques publications sur l'énergie renouvelable, y compris: «The World Directory of Renewable Energy, Renewable Energy World, and Solar Energy Houses » (le répertoire mondial des énergies renouvelables, les énergies renouvelables du monde, et les maisons à énergie solaire).

Adresses utiles

Practical Action The Schumacher Centre for Technology & Development, Bourton on Dunsmore, RUGBY, CV23 9QZ, Royaume Uni.
Tél.: +44 (0) 1926 634400, Fax: +44 (0) 1926 634401 e-mail:practicalaction@practicalaction.org.uk web:www.practicalaction.org

James & James (Science Publishers) Ltd.
35 - 37 William Road, London, NW1 3ER, Royaume Uni
Tél: +44 (0)20 7387 8558, Fax: +44 (0)20 387 8998
Web: http://www.jxj.com

Des informations peuvent également être obtenues des organisations suivantes:

The Solar Energy Society
School of Engineering, Oxford Brooks University, Gipsy Lane Campus, Headington, Oxford, OX3 0BP,Royaume Uni
Tél: +44 (0)1865 484367, Fax: +44 (0)1865 484263
Web: http://www.brookes.ac.uk/uk-ises
The Solar Energy Society est une organisation à but non lucratif. Il s'agit d'un forum pour tous ceux qui s'intéressent à la promotion de l'utilisation de l'énergie solaire. Les membres de la Société sont issus de l'industrie, du gouvernement, des institutions académiques, d'architecture et d'ingénierie, ainsi que le grand public: des qualifications académiques ne sont pas une condition préalable à l'adhésion.

NEF Renewables,
The National Energy Foundation, Davy Avenue, Knowlhill, Milton Keynes, MK5 8NG, Royaume Uni
Tél: +44 (0)1908 665555, Fax: +44 (0)1908 665577
The Solar Trade Association Ltd*
Pengillan, Lerryn, Lostwithiel, Cornwall, PL22 0QE, Royaume Uni
Tél: +44 1208 873518, Fax: +44 1208 873518
Web: http://www.greenenergy.org.uk/sta/
Association du commerce pour le Royaume-Uni. Fabriques et installateurs d'équipements solaires.

The Information Officer *
Solar Energy Unit, University College of Wales, Cardiff, Newport Road, Cardiff, CF2 1TA, Royaume Uni
*Peut fournir une liste de fabricants de capteurs solaires.

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