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N°6 - Caractéristiques techniques des capteurs solaires - niv 4 à 3

N°6 - Caractéristiques techniques des capteurs solaires - niv 4 à 3

En formation de niveau 5 (CAP), on n'étudiera pas ce §.



Les capteurs sont caractérisés par :

  • Leurs pertes optiques
  • Leurs pertes thermiques

Ces pertes permettent par ailleurs de calculer le rendement global du capteur, pour une situation de fonctionnement donnée.


Les pertes optiques :

En premier lieu, les capteurs sont caractérisés par leur rendement optique (coefficient B).
Le rendement optique du capteur représente le pourcentage de la puissance radiative du soleil qui sera réellement absorbée par le capteur.

Remarque : le rendement optique est parfois appelé rendement solaire. Il ne faut pas le confondre avec le rendement global du capteur qui sera défini plus loin et qui ne peut se calculer que dans une condition de fonctionnement donnée.

Question

Q1: Quel est le rendement optique B du capteur ci-dessous?



Le capteur transforme 1000 [W/m²] de rayonnement solaire en 800 [W/m²] de chaleur pour le fluide caloporteur.
Son rendement optique B est donc de:
(800 / 1000) x 100 = 80%

Les pertes thermiques :

Lorsque le fluide caloporteur qui circule dans le capteur s’échauffe, une partie de la chaleur reçue est perdue par convection et par rayonnement vers l’extérieur.
Ces pertes sont caractérisées par un coefficient k (ou a1) exprimé en [W/m².°C]. Le coefficient k indique ces pertes thermiques en watts pour 1 [m²] de capteur et pour un [°C] d’écart de température entre le fluide caloporteur et l’air extérieur.

  • Les capteurs plans bien isolés ont un coefficient k de l’ordre de 3 [W/m².°C]
  • Les capteurs sous vide ont un coefficient k de l’ordre de 1 [W/m².°C]  ils perdent environ 4 fois moins de puissance par convection et conduction pour un même écart de température entre le fluide et l’air extérieur que les capteurs plans.

Remarques :
  • Le coefficient k (ou a1) du capteur se rapporte à la surface avant du capteur.
  • La norme européenne, EN 12975-1:2006 indique les caractéristiques minimales pour les capteurs fabriqués en Europe.

Exemple des caractéristiques d’un capteur :

text


Question

Q2: Calculez la puissance réellement récupérée sur le capteur ci-dessous, sachant que son rendement optique est de 85% et son coefficient k de 3 [W/m²°C].



Réponse : 730 [W]

 



Explication :

Le flux solaire reçu est de 1000 [W/m²].
La surface du capteur est de 1 [m²]. Il reçoit donc 1000 [W].
Le rendement optique du capteur est de 85%. Donc 850 [W] sont récupérés par l’absorbeur au fond du capteur.

Mais une partie de ces 850 [W] s’échappent vers l’extérieur du fait des pertes thermiques du capteur par convection et rayonnement.

La surface avant du capteur est de 1 [m²]

L’écart de température entre l’intérieur et l’extérieur du capteur est de 70 – 30 = 40 [°C].
Les pertes thermiques du capteur sont donc de :
P = k x S x ΔT = 3 x 1 x 40 = 120 [W]

Au final, la puissance récupérée par le capteur est de:

850 – 120 = 730 [W]

Le rendement global :

Le rendement global d’un capteur se calcule à partir des rendements optiques et thermiques dans des conditions données de fonctionnement du capteur.

On peut définir le rendement global du capteur comme le rapport entre l'énergie récupérée pendant un intervalle de temps donné et l’énergie solaire reçue par le capteur pendant le même intervalle de temps, dans des conditions données de fonctionnement stable.

Question

Q3: Quel est le rendement global du capteur solaire étudié dans l'exercice précédent?



73%

 

Explication :

Le capteur recevait un flux solaire de 1000 [W], mais du fait des pertes optiques et thermiques, seuls 730 [W] étaient au final récupérés par le fluide caloporteur.

Dans ces conditions de fonctionnement, le rendement global était de 73%.

Pour 1 [m²] de capteur on peut écrire :

text

  • Coefficient B : rendement optique
  • Rayonnement solaire en [W/m²]
  • Déperditions : pertes thermiques du capteur en [W/m²]

Soit :

text

ou

text

Avec :

  • k : coefficient de pertes thermiques  en [W/m².°C]
  • Tmf : température moyenne du fluide caloporteur en [°C] 
  • Text : température extérieure en [°C]  

Question

Q4: En utilisant la formule de calcul du rendement, pour un rayonnement solaire de 1000 [W/m²], un rendement optique de 85% et un coefficient k de 3 [W/m²°C], calculez le rendement global du capteur défini dans le 1er exercice ci-dessus.

73%

Explication :



ou