Les différents éléments d`un CESI

Les différents éléments d’un CESI
1. Capteur Solaires
1.1. Introduction
Un capteur solaire thermique est un dispositif qui transforme le rayonnement
solaire en énergie thermique.
Les caractéristiques générales qu'un capteur solaire thermique doit réunir sont:
• Résistance à l'atmosphère extérieure.
• Résistance aux températures extérieures.
• Robustesse et longévité
• Facilité de montage
• Conversion efficace de l'énergie
Ici, on se limitée à l’étude des capteurs plans vitrés et des capteurs tubes sous
vide.
1.2. Les capteurs plans vitrés
Les capteurs plans vitrés sont bien adaptés à la production de l’eau chaude
sanitaire et au chauffage des bâtiments en métropole.
1. Le coffre
2. Joint d’étanchéité
3. Couvercle
transparent
4. Isolant thermique
5. Plaque absorbante
6. Tubes
Le coffre :
• Assure la protection arrière du capteur
• Participe à sa rigidité
• Intègre les points de fixation du capteur
• Soit en métal, soit en matière plastique
• Bonne tenue à la corrosion
• Prix de revient limité
Les joints d’étanchéité :
•
•
Assure l’étanchéité du capteur
Doit être résistant aux UV
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Le couvercle transparent:
•
•
•
Doit être transparente au rayonnement de courtes longueurs d’ondes (celui
provenant de l’extérieur)
Doit bloquer le rayonnement de grandes longueurs d’ondes (celui provenant de
l’absorbeur)
Généralement en verre trempé de 4 mm
L’isolant thermique: (Mousse de polyuréthane ou/et de laine de verre/roche)
•
•
•
Réduit les pertes par la face arrière et par les côtés (environ 20% des pertes
totales)
Doit résister aux hautes températur es (si contact direct avec l’absorbeur)
Ne doit pas absorber l’humidité provenant de condensats
Plaque absorbante :
Transforme le rayonnement solaire en chaleur, en cuivre et de couleur sombre. Elle peut
subir un traitement sélectif (chrome ou nickel noir, peinture)
Tube : en cuivre ou inox
1.3 Capteur solaire thermique sous vide :
Grâce au vide, les déperditions de chaleur par convection et par conduction
thermique sont réduites.
Avantages :
• des températures de fonctionnement plus élevées qu’avec les capteurs
plans
• des déperditions réduites par rapport aux capteurs plans grâce à une
excellente isolation thermique.
Inconvénients :
• températures de stagnation élevées, avec les contraintes correspondantes
sur tous les matériaux employés près du champ de capteurs et sur le
fluide caloporteur.
• Coût plus élevé de la chaleur solaire à température moyenne de
fonctionnement (mais coût avantageux à des températures de
fonctionnement plus élevées).
- Les tubes doivent être totalement
hermétiques. Si non hermétique il faut
changer le tube pour préserver la performance
de l’ensemble du capteur.
- Au contact de l'air, le baryum change de
propriété, est blanchi...
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2. Le ballon solaire
Le stockage / Caractéristiques :
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•
•
En réponse au caractère discontinu de la ressource.
Limiter les pertes.
Favoriser la stratification.
La fonction du ballon
solaire : chauffer et
accumuler l’eau chaude
sanitaire.
Dans le ballon, on observe
un échange de chaleur
entre l’eau et le fluide
chaud provenant des
panneaux solaires.
Le fluide solaire circule à l’intérieur du serpentin, si sa température est
supérieure à la température de l’eau du ballon, il lui cède sa chaleur puis s’étant
refroidi, il remonte aux panneaux solaires pour récupérer de nouveau la chaleur
du soleil.
L’eau froide sanitaire pénètre par le bas du ballon et que sous l’effet du
réchauffement procuré par le serpentin, elle s’élève vers le haut du ballon
(stratification).
Le fluide doit pénétrer dans les panneaux solaires par le bas. Au fur et à mesure
de son réchauffement, il remonte vers le haut.
Les accumulateurs les plus fréquemment rencontrés dans les installations
actuelles sont des réservoirs thermiquement isolés qui peuvent contenir ou non
un échangeur thermique.
Les aspects les plus importants d'un accumulateur sont sa résistance mécanique,
sa longévité et la qualité de l'isolement qui se mesure en W/K. Plus le c oefficient
de pertes est faible meilleur est le comportement de l'accumulateur.
Un accumulateur bien conçu doit permettre une distribution verticale de
l'eau chaude. Ceci améliore le rendement de l'installation.
3. Primaire et secondaire
•
•
Le circuit primaire (circuit fermé) permet de chauffer l’eau chaude
sanitaire.
Le circuit secondaire (circuit ouvert), c’est le circuit d’eau chaude
sanitaire.
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4. Soupape de sécurité et disconnecteur du circuit secondaire
La soupape de sécurité est installée à droite du
clapet de retenue. Quand la pression augmente
dans le ballon, elle s’ouvre pour maintenir une
pression raisonnable dans le ballon.
Ici, ce n’est pas un clapet de retenue qui est
installé, mais un disconnecteur, qui empêche le
retour de l’eau du ballon vers le réseau d’eau
potable.
5. Purgeur
Un dispositif de purge doit être installé au point
le plus haut de l’installation (A).
L’air étant plus léger que l’eau, il est conseillé de
remplir le circuit par le bas. C’est le rôle de la
vanne de remplissage avec clapet de retenue (2).
Dans le cas d’une maintenance, la vidange sera
assurée par la vanne de vidange (3).
Même si le circuit est parfaitement purgé, des nappes de gaz peuvent apparaître
par la suite. En effet, lorsque l’on chauffe de l’eau, il se crée un dégazage de l’air
dissous dans cette eau. De plus, certaines réactions chimiques entre l’eau et les
matériaux peuvent générer des gaz.
6. Soupape de sécurité du circuit primaire.
Suite à la montée de la température, le
fluide caloporteur se dilate et la pression
augmente aussi.
Le rôle de la soupape de sécurité est de
limiter la pression à l’intérieur du circuit.
La température atteint la valeur de 120 °C
et la pression augmente de 2 bar pour
atteindre la valeur de 6 bar.
La soupa pe de sécurité, tarée à 6 bar crache pour limiter la montée de la
pression. En plus il faut installer un vase d’expansion.
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7. Vase d’expansion :
Cas d’un vase gonflé à 6 bar.
- au remplissage du circuit, le fluide
va pénétrer dans l’installation et
l’air sera chassé par le purgeur
automatique.
- L’installation est remplie mais le
vase ne contient pas une goutte
d’eau.
- A la montée de la température , la pression monte et la soupape de sécurité va
cracher et le circuit manquera d’eau et l’air va pénétrer dans l’installation.
Remarque : le même phénomène sera observé dans le cas où le vase sera peu
gonflé ; voir TD et TP.
Tant que la température du
circuit ne variera pas, le
manomètre coté vase d’expansion
indique 2 bar, que le circulateur
soit ou non en fonctionnement.
La pression dans le vase
d’expansion ne dépend que de la
variation de la température.
8. Les vannes d’isolement
Elles sont installées pour
faciliter les opérations de
maintenance et de mise en
service.
Ces vannes sont installées de
manière à permettre le
fonctionnement normal du vase
d’expansion et de la soupape de
sécurité.
Elles sont installées pour faciliter les opérations de maintenance et de mise en
service. Il y a risque de surpression dans le cas ou ces vannes sont fermées.
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9. Circulateurs
9.1 Les circulateurs à débit constant
Exigences :
- pression de fonctionnement sur le circulateur supérieure à 1 bar pour éviter le
phénomène de cavitation lorsque la température du circuit est élevée.
- doit résister à des températures dépassant les 100°C.
Choix :
- circulateur standard de chauffage
- le circulateur sera installé sur la conduite de retour au capteur
- il comprendra trois vitesses permettant d'ajuster au mieux le débit de
circulation du fluide antigel.
9.2 Les circulateurs à débit variable
Les circulateurs à débit variable permettent de faire " travailler " les capteurs à
faible débit (low flow), ce qui permet d'obtenir des températures plus élevées,
permettant de diminuer dans certains cas le recours à l'appoint.
De plus, la consommation d'électricité est diminuée.
10. Clapet anti-retour
Sans clapet anti-retour, il peut se produire une circulation par thermosiphon
lorsque le ballon est plus chaud que les capteurs (la nuit par exemple). Le ballon
perd toute l'énergie accumulée pendant la journée. Attention à sélectionner un
clapet résistant aux hautes températures.
11. Remplissage de l’installation
La solution d’eau glycolée doit être préparée avant injection. Les glycols
proposés par les constructeurs sont élaborés pour des applications bien
spécifiques. Ils ajoutent des additifs anti-mousse, antitartre, antibactériens qui
protègeront le circuit.
Le remplissage de l’installation se fait ici à 18 °C et une pression de gonflage de 1
bar (Pression du vase = pression statique + 0,5 bar) . Cette pression reste
théorique, car dans la pratique on préfère sur dimensionner la pression de
gonflage du vase. Lorsq ue la température descend à -10° C, l’installation se
trouve pas exposée à l’entrée d’air dans la partie supérieure.
La tendance actuelle est de très largement sur dimensionner le vase, de le pré
gonfler à une pression de 1,5 à 2 bar et de remplir l’insta llation jusqu’à 3 bar
avec de l’eau à 18 ou 20 °C.
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12. Régulation
- Si la θ1 > θ2, le circulateur se
met en marche.
- Si θ1 = θ2, le circulateur est à
l’arrêt.
- Si la θ1 < θ2, c’est le cas de la
nuit ou manque de rayonnement, le
circulateur se met à l’arrêt.
- Le régulateur agit en fonction
de deux ∆θ. Le premier pour la
mise en marche et deuxième pour
son arrêter le circulateur.
Le régulateur calcule la différence de θ entre les 2 sondes. Il n’autorise la mise
en service du circulateur que si la θ des panneaux est supérieure à celle du ballon
suivant un ∆θ.
13. Quelques repères
- ∆θ = 20 °C est tout à
fait correcte, une
valeur supérieure à 20
°C implique un débit
faible.
- ∆θ < 10 °C implique un
débit élevé.
- Ici, le vase est
largement dimensionné,
ce qui est toujours
conseillé. Puisque le
manomètre indique 3
bar, la pression est bien
supérieure au minimum
requis.
Pour une même puissance transmise par un échangeur, si le débit est divisé par
deux ; le ∆θ est multiplié par deux.
Lorsque le débit diminue, le delta ∆θ augmente.
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14. l’Appoint
L’appoint est
nécessaire pour
chauffer l’eau lorsque
l’ensoleillement sera
insuffisant.
Cet appoint peut être
électrique ou assuré
par l’intermédiaire
d’une chaudière et d’un
échangeur
supplémentaire placé
dans le ballon.
L’appoint se trouve
dans la partie haute du
ballon.
15. Le fluide solaire / Eau glycolée utilisée
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Composition chimique : Propylène glycol (40%), eau (entre 55 et 58 %) et
inhibiteurs anticorrosion pour une protection durable et fiable.
Ecologie : Fluide biodégradable, non toxique.
Pour installations solaires ayant des températures de stagnation élevées
Ne peut pas être mélangé avec d’autres caloporteurs, ni dilue avec de
l’eau. Les pertes de fluides doivent être compensées uniquemen t avec
le même fluide.
Température de stagnation maxi: 170°C.
Modification chimique à des températures supérieures à 200°C.
N’attaque pas les matériaux d’étanchéité .
Pas de Zinc dans le circuit solaire. Le propylène glycol peut le dissoudre.
La stagnation est l'état d'un capteur ou d'un système sans circulation du fluide
calo porteur.
Un capteur solaire ne monte pas indéfiniment en température. Plus sa
température de fonctionnement augmente, plus le rendement diminue jusqu'à
s'annuler.
La température de stagnation est la température atteinte par le capteur en
l'absence de circulation du fluide, donc à rendement nul.
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