Energie solaire thermique - hevs.ch .3 Rayonnement solaire ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai

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  • 1

    Energies renouvelables aujourdhui et demainEnergies renouvelables aujourdhui et demain

    Energie solaire thermiqueEnergie solaire thermiqueMichel Bonvin

    michel.bonvin@hevs.ch

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 1

    Quelquesrfrences

    JohnA.Duffie andW.A.Beckmann,Solar EngineeringofthermalProcesses,2nd Edition),JohnWiley,NewYork,1991

    FrankP.Incropera andD.P.Dewitt,FundamentalsofHeat andMassTransfer 6th Edition Wiley New York 2006Transfer,6thEdition,Wiley,NewYork,2006

    www.solarenergy.ch www.solarpraxis.com www.meteotest.ch www.sses.ch www.estif.org www.iea.org

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 2

    www.iea.org

    www.energiesolaire.com www.agenaenergies.ch www.solarislands.com www.eurobserver.org

  • 2

    Solairethermique

    Solairethermique:ConversionDIRECTEdurayonnementConversionDIRECTEdurayonnement((irradianceirradiance) solaire en nergie thermique) solaire en nergie thermique((irradianceirradiance)solaireennergiethermique)solaireennergiethermique Chauffagedeslocaux Chauffagedeleausanitaire(500500700kWh/m700kWh/m22,1m,1m22 /pers.,/pers.,

    5050100litresdestock/m100litresdestock/m22)

    Rafrachissement,climatisation Energielectrique Schage

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 3

    Dessalement Etc.

    Solairephotovoltaque:ConversionDIRECTEdurayonnementsolaireennergielectrique

    Rayonnementsolaire

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 4

  • 3

    Rayonnementsolaire

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 5

    Suffisantpourapprovisionner le

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 6

    approvisionnerlemondeenlectricit(2005)

  • 4

    1.1. Rayonnement : bases physiquesRayonnement : bases physiques

    22 Types de capteurs thermiques niveau deTypes de capteurs thermiques niveau de

    Plan

    2.2. Types de capteurs thermiques, niveau de Types de capteurs thermiques, niveau de tempraturetemprature

    3.3. Centrales solaires concentrationCentrales solaires concentration

    4.4. Applications particuliresApplications particulires

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 7

    5.5. PerspectivesPerspectives

    Lesoleil

    Fusionthermonuclaire(deutriumettritiumquise

    bi t f d lhli )

    DistanceTerreSoleil: 1.51011 m Rayonmoyen: 6.95108 m

    fcombinentpourformerdelhlium) Tempratureensurface: 5800K PuissancereueparlaTerre

    (horsatmosphre): 1.71017 W

    1hderayonnementsolairequivautlaconsommationmondialednergieen1an

    Esprancedeviedusoleil:7.6milliardsdannes

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 8

  • 5

    Rayonnementducorpsnoir(rayonnementmismis loidePlank)

    dchdG ch

    12)( 52

    e Tk

    ch

    1)( 5

    G()d :fluxderay.misdansledomained [W/m2 ] :longueurd'onded'mission [m]T :tempratureabsolueducorps [K]h :constantedePlank : h=6.631034 Jsc :vitessedelalumiredanslevide: c=3108 m/sk :constantedeBoltzmann: k=1.381023 J/K

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 9

    /

    LoideWienRAYONNEMENT DU CORPS NOIR

    1.E+06

    1.E+07

    1.E+08

    omt

    re)

    T = const

    5800 K

    1 E+00

    1.E+01

    1.E+02

    1.E+03

    1.E+04

    1.E+05

    1.E 06

    Den

    sit

    d'm

    issio

    n sp

    ectr

    ale

    (W/m

    2 m

    icro

    1000 K

    300 K

    Dom

    aine

    vis

    ible

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 10

    1.E+001.E-07 1.E-06 1.E-05 1.E-04

    Longueur d'onde (m)

    LoideWienLalongueurdondesouslaquellelerayonnementmaximalmaximal estmisestfonctiondelatempraturedesurfaceducorpsrayonnant:

    TT == 2.92.9 101033 mm KK

  • 6

    Rayonnementreu(sousatmosphre)

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 11

    Facteurderductionentremissionetrception:(dist.SoleilTerre/rayonSoleil)2 =4600046000

    Coursesolaire

    Hauteur )sin()sin()tcos()cos()cos()sin(

    Sud

    Azimut

    Lesvaleursdesangles et peuventtreestimsl'aidedesrelationssuivantes:

    : latitudedulieuconsidr [] : vitesseangulairederotationdelaTerre

    d

    )cos()tsin()cos()sin(

    2

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 12

    autourdesonaxe:

    : dclinaisonsolaire

    : vitesseangulairederotationdelaTerreautourduSoleil:

    h24

    000 523.avec)tcos(

    jours3652

  • 7

    Sion, solstice d't

    60

    70

    20

    30

    40

    50

    Hau

    teur

    (deg

    rs)

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 13

    0

    10

    -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150

    Azimut (degrs)

    Sion, solstice d'hiver

    60

    70

    10

    20

    30

    40

    50

    Hau

    teur

    (deg

    rs)

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 14

    0

    10

    -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150

    Azimut (degrs)

  • 8

    Rayonnementsolairedisponible

    160

    180

    200

    Lausanne OrientationSud

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    kWh/m2mois

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 15

    0

    20

    40

    Janv. Fv. Mars Avr. Mai Juin Juil. Aot Sept. Oct. Nov. Dc.

    Vertical 45degrs Horizontal

    Rayonnementsolairedisponible

    800

    900

    1000

    Lausanne OrientationSud Janvier

    300

    400

    500

    600

    700

    800

    W/m

    2

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 16

    0

    100

    200

    Gh G45 Gv

  • 9

    Rayonnementsolairedisponible

    900

    1000

    Lausanne OrientationSud Juin

    400

    500

    600

    700

    800

    W/m

    2

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 17

    0

    100

    200

    300

    Gh G45 Gv

    ModleutilisparMETEONORM

    1

    EnSuisse,pourunesurfacebienoriente,environ50%deirradiationannuellelestformedirecte

    3

    2

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 18

    54

    Facteurderflexion(albedo):Variableselonlessaisonsentre30et90%

  • 10

    Rsistancesthermiques

    211 TTR

    q :Fluxthermique [W/m2] R:Rsistancethermique [m2K/W] T:Temprature [K]

    q

    a) Conduction: R )

    b) Convection,rayonnementthermique:

    :conductivitthermique [W/mK]d:paisseur [m]h:coefficientdetransfertthermique [W/m2K]

    hconvection =2.8+3.0v surfaceextrieure (v:vitesseduventenm/s)3 0 i i b b i

    d

    hR 1

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 19

    =3.0 espaceintrieurentreabsorbeuretvitre

    hrayonnement =4 F12 T3Deuxplaquesparalllesinfiniesavecdesmissivits1 et2 :F12 = =5.67108 W/m2K4 (StefanBoltzmann)T=tempraturemoyenne(enK)

    1111

    21

    CoefficientsdEmission,dAbsorption,deRflexion Pouruncorpsnoir: = Pourunabsorbeur: + =1

    P b b l tif Pourunabsorbeurslectif: estgrand(>0.9)dansle

    domainevisible,donc estpetit

    estgrand(>0.9)dansledomaineinfrarouge

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 20

  • 11

    Rayonnementtraversunvitrage

    Vitrage IntrieurExtrieur

    Emission secondairel'i i

    Emission secondairel' i

    Irradiance (ray. global) G

    vers l'intrieurvers l'extrieur

    Absorption G Transmission

    globale g G

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 21

    Rflexion G Transmission directe G

    Capteurplannonvitr

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 22

  • 12

    Capteurplannonvitr:modlesimplifi

    amrayconv

    im TTRRTTVcG

    112

    a : Coefficientdabsorption 0.9 G : Fluxdurayonnementsolaire 800W/m2 c : Chaleurmassiquedeleau 4200J/kgK : Dbitmassiquespcifique 0.035kg/sm2 Tm : Tempraturemoyenneducapteur Ti : Tdeleaulentreducapteur 300C Rconv : Rsistancelaconvection 0.07m2 K/W R : Rsistance au rayonnement (slectif) 2 m2 K/W

    V

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 23

    Rray : Rsistanceaurayonnement(slectif) 2m2 K/W

    Tm=32.50C

    rendement= =84.5% G

    TTVc im 2

    Capteurplannonvitr:selonfichedescriptive(Solardach AS+)

    GTTxavecGxbxb am 2210

    Tm=32.50C Ta=200C G=800W/m2K x=0.0156m2 K/W 0 =0.959 b1 =8.91W/m2K b2 =0.047W/m2K2

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 24

    =81.1%

  • 13

    Capteurplanvitr

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 25

    Capteurplanvitr

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 26

  • 14

    Capteurplanvitr

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 27

    Capteurplanvitr:selonfichedescriptive(Cobralino Evo)

    GTTxavecGxbxb am 2210

    Tm=52.50C Ta=200C G=800W/m2K x=0.0406m2 K/W 0 =0.817 b1 =3.84W/m2K b2 =0.0084W/m2K2 G 800 W/m2K

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 28

    G=800W/m2K

    =65%

  • 15

    Capteursousvide

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 29

    Capteursousvide:selonfichedescriptive(Soltop T6DF)

    GTTxavecGxbxb am 2210

    Tm=820C Ta=200C G=800W/m2K x=0.0775m2 K/W 0 =0.753 b1 =1.42W/m2K b2 =0.0071W/m2K2 G 800 W/m2K

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 30

    G=800W/m2K

    =61%

  • 16

    77%80%

    90%

    100%Rendements types de capteurs thermiques

    75%

    73%

    10%

    20%

    30%

    40%

    50%

    60%

    70%

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 31

    0%

    10%

    Capteur sans vitrage, selectif Capteur plan vitr Capteur sous vide

    Capteursconcentration

    ERAD 2011 / Solaire thermique / 23 mai 2011 32

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