mercredi 8 avril 2009

Les panneaux solaires thermiques

Notre projet à pour but de mettre en place des panneaux solaires thermiques au lycée afin d’économiser la consommation d’eau chaude. En effet nous avons constaté que dans l’enceinte de l’établissement, il y a environ 40,5 litres d’eau chaude consommée chaque jour.
Ainsi il faudrait placer un panneau solaire de 3 m² sur les toits du lycée pour couvrir les besoins nécessaires à la consommation d’eau chaude.

Sommaire

1- Introduction.

2- Explication de l’effet de serre.

3- Présentation des panneaux solaires thermiques.

4- Implantation d’un panneau solaire thermique chez soi.

5- Protocoles d’expériences.

6- Conclusion : confection d’un panneau solaire thermique.

7- Sources.


8- Carnet de bord.

Introduction

Les panneaux solaires sont essentiels pour notre environnement. En effet, ils récupèrent une partie de l'énergie du rayonnement solaire pour la convertir en une forme d'énergie électrique ou thermique utilisable par l'homme. Il existe deux sortes de panneaux solaires : les panneaux solaires photovoltaïques qui convertissent la lumière en électricité et les panneaux solaires thermiques qui transforment la lumière en chaleur récupérée et est utilisée pour faire de l'eau chaude.
Ainsi, pour notre projet de développement durable nous avons choisi d’exploiter les panneaux solaires.
Nous avons pensé que la réalisation d’une maquette de panneau solaire thermique serait plus abordable qu’une maquette de panneau solaire photovoltaïque.

Dans ce dossier, nous expliquerons dans un premier temps le principe de l’effet de serre qui est indispensable pour le panneau solaire thermique. Ensuite nous présenterons les panneaux solaires thermiques et leur fonctionnement ainsi que la manière de les installer chez soi. Puis nous ferons plusieurs protocoles d’expériences afin d’assurer son efficacité. Pour finir nous proposerons un montage d’un type de capteur solaire thermique
.

L’effet de serre

L'effet de serre est un phénomène naturel, indispensable à la vie sur Terre et qui assure une température moyenne de +15°C environ au lieu de -19 °C. En fait, une température de -19°C ferait geler les océans, ce qui augmenterait considérablement leur albédo (pouvoir réflecteur) faisant chuter les températures autour de -100°C...La Terre reçoit la majeure partie de son énergie du soleil (principalement sous forme de lumière visible), une partie est directement réfléchie, une autre absorbée et une dernière rayonnée sous forme d'infrarouges par notre planète. Le rayonnement infrarouge émis par la Terre est en partie intercepté par les gaz à effet de serre de l'atmosphère terrestre tandis que le reste est diffusé vers l'espace. Ainsi, la vapeur d'eau, le méthane, le dioxyde de carbone et le protoxyde d'azote, qui sont les principaux gaz à effet de serre (GES) contribuent à piéger l'énergie renvoyée, augmentant la température moyenne de la Terre. En effet, ce sont les gaz à structure poly atomique (au moins 3 atomes) qui retiennent le rayonnement infrarouge au contraire des molécules diatomiques (99% de l'atmosphère) qui ont une structure trop simple. Notons le double rôle des nuages dans l'effet de serre : vis-à-vis du rayonnement solaire, les nuages agissent principalement comme un parasol qui renvoie vers l’espace une grande partie des rayons du Soleil. Le pouvoir réfléchissant, ou albédo, des nuages épais à basse altitude, est ainsi très élevé, de l’ordre de 80%. Par contre, les cirrus qui sont des nuages d'altitude constitués de cristaux de glace, ont un effet parasol très faible puisqu’ils sont transparents mais participent fortement à l'effet de serre.





Panneaux solaires thermiques

Les panneaux solaires thermiques, (appelés capteurs solaires thermiques), convertissent la lumière en chaleur récupérée et utilisée sous forme d’eau chaude.

Les panneaux solaires thermiques sont actuellement plus rentables économiquement que les modules photovoltaïques grâce a un rendement élevé avoisinant les 80%, cependant, l’énergie récupérée est pou l’instant utilisée essentiellement pour le chauffage de l’eau chaude sanitaire.

Il existe deux types de panneaux solaires thermiques : les capteurs à eau et les capteurs à air.

Dans les capteurs thermiques à eau, l’eau circule dans des tubes munis d’ailettes. Pour obtenir un meilleur rendement, l’ensemble est placé dans une boite vitrée isolante afin d’avoir un effet de serre. Avec un ensoleillement important, et si les besoins en énergie sont modéré, un simple réseau de tubes à ailettes peut suffire. Les ailettes, qui forment ce qu’on appelle l’absorbeur, sont chauffées par rayonnement solaire et transmettent leur chaleur à l’eau qui circule dans les tubes.
Les premiers absorbeurs étaient peints en noir afin de capter un maximum d’énergie lumineuse. Mais le noir à l’inconvénient d’avoir un rayonnement important, ce qui finit par échauffer la vitre et provoquer des pertes à travers celle-ci. C’est pourquoi on préfère des absorbeurs traités au chrome, ce qui donne un corps noir dont le rayonnement est beaucoup faible. On parle de surfaces sélectives, elles absorbent bien le rayonnement solaire visible (où se situe la grande partie de l’énergie provenant du soleil, corps noir à haute température) mais réémettent peu dans l’infrarouge (rayonnement de l’absorbeur, corps noir à relativement basse température).

Les capteurs solaires à eau son utilisés pour produire de l’eau chaude sanitaire (ECS) dans un chauffe eau solaire individuel (CESI). C’est actuellement la solution la plus rentable en termes de solaire. Les systèmes solaires combinés (SSC) commencent à se développer. Ils ont pour objectif de l’eau chaude sanitaire et de l’eau chaude destinée à participer au chauffage du logement. Ces systèmes permettent d’économiser de l’ordre de 350 KWH par an et par m2 de capteurs.

Dans les capteurs thermiques « à air », de l’air circule et s’échauffe au contact des absorbeurs. L’air ainsi chauffé est ensuite ventilé dans les habitats pour le chauffage ou dans les hangars agricoles pour le séchage des productions.

Les capteurs solaires thermiques atteignent aujourd’hui (2003) des rendements de 80%.

De nombreuses autres innovations techniques ont permis d’augmenter le rendement des panneaux thermiques, telles que :

Des vitres traitées pour empêcher le rayonnement, qui laissent passer jusqu’à 95% de la lumière grâce à leur faible teneur en oxyde de fer.

Des tubes transparents « sous vide » pour éviter les déperditions thermiques convectives de l’absorbeur.

Des assemblages tubes-ailettes parfaitement solidaires réalisés par soudure ultra sons.

Le chauffe-eau solaire est la principale utilisation des panneaux solaires thermiques du fait de sa rentabilité et de la faible évolution saisonnière des besoins d’eau chaude, souvent aussi important en été qu’en hiver. Les économies procurées permettent d’amortir l’installation bien avant sa fin de vie.

L’énergie solaire captée dans la journée est stockée sous forme d’eau chaude dans un ballon de quelques centaines de litres (pour une maison). Sous la latitude de Paris, une autonomie de plusieurs jours, en été, est possible avec une surface de capteurs suffisante (1 à 2 m² par personne), et un volume du ballon de l’ordre de 80 à 100 litres par utilisateur. Afin de compenser les insuffisances d’ensoleillement, un appoint est nécessaire. On utilise dans la plupart des cas une résistance électrique accordée au réseau, avec une régulation adaptée.

Dans les régions chaudes, les capteurs solaires utilisés sont souvent rudimentaires : un réservoir peint de couleur sombre, un long tuyau déroulé sur un toit…

En France, pour les installations thermiques solaires de plus de 50 m², un télésuivie des installations est imposé par l’ADEME en contrepartie des subventions versées. Ce suivi permet de garantir les résultats solaires (GRS) en impliquant dans le projet le Constructeur des panneaux, le Bureau d’Etude ayant conçu l’installation, l’Installateur et l’Entreprise en charge de la Maintenance. Ce suivi est impératif car le dysfonctionnement d’une installation solaire thermique est indolore puisqu’en cas d’arrêt, la production d’eau chaude est assurée par l’appoint.

Le panneau solaire thermique chez soi

Le panneau solaire thermique doit toujours être orienté au sud de façon à ce qu’il soit perpendiculaire au rayonnement solaire de midi (quand le trajet atteint son zénith).
Selon les préférences, on peut installer le panneau solaire par terre sur un terrain, en façade ou sur un toit.
Pour la dimension du panneau, il faut calculer la consommation en eau chaude sachant que l’ordre de grandeur est de 0,9 à 1,5 m² par personne selon la région et le type de capteur.
Il existe plusieurs types de montages possibles : il y a des panneaux solaires thermiques avec et sans moteur.

Protocole d’expérimentation n°1

Problème : Comment faire de l’effet de serre ?

Hypothèse : On obtient de l’effet de serre avec un milieu clos.

Conséquence vérifiable : Si l’hypothèse est validée alors nous aurons un meilleur effet de serre avec un milieu clos qu’avec un milieu en extérieur.

Test de l’hypothèse : Nous allons enregistrer pendant 30 minutes les températures à l’intérieur et à l’extérieur du milieu clos posé sur fond noir.

Résultat :

Interprétation : Nous mesurons une différence de 5° c au bout des 30 minutes. A l’intérieur la température est plus élevée qu’à l’extérieur.

Conclusion : L’hypothèse est validée : l’effet de serre obtenu avec un milieu clos est plus performant que celui obtenu avec un milieu en extérieur.

Protocole d’expérimentation n°2

Problème : De quelle couleur doit être la surface du panneau solaire ?

Hypothèse : Une surface brillante permettra d’obtenir une température de l’eau plus élevée.

Conséquence vérifiable : Si l’hypothèse est validée alors nous aurons une température de l’eau plus élevée.

Test de l’hypothèse : Nous mettons en place deux dispositifs ayant le même rayonnement lumineux. L’un aura une surface noire et l’autre une surface blanche.

Résultat :



Interprétation : Nous mesurons une hausse de température dans les deux cas. Mais nous constatons que la température est de 10°c plus élevée avec la surface noire.

Conclusion : L’hypothèse est infirmée : la température n’est pas plus élevée avec une surface blanche. La surface noire est plus efficace pour réchauffer l’eau. La chaleur est attirée par les couleurs foncées.


Protocole d’expérimentation n°3

Problème : Comment faire chauffer de l’eau avec un panneau solaire thermique?

Hypothèse : Si on arrive à utiliser l’effet de serre pour capter l’énergie thermique du soleil, alors nous obtiendrons de l’eau chaude.

Conséquence vérifiable : Si notre hypothèse est validée, alors nous obtiendrons de l’eau chaude.

Test de l’hypothèse : On place des tubes en plastiques dans une boite vitrée isolante afin d’obtenir un effet de serre.

Résultat :


Interprétation : Grâce à l’effet de serre, l’eau qui circule dans les tubes se réchauffe ainsi l’eau est chaude.

Conclusion : Notre hypothèse est validée car nous obtenons de l’eau chaude grâce à l’effet de serre.


Confection du panneau solaire

Pour fabriquer notre panneau solaire thermique, nous avons besoin d'un support de couleur noir, d'une boite vitrée transparente isolante, d'un tuyau en plastique d'environ 70 cm, d'un réservoir ainsi que de la colle.

Photo de notre panneau solaire thermique.

Sources

wikipédia; www.voizo.fr/energies/panneaux-solaires-thermiques; www.rdp.fr/r_solaire.htm; has.energie.solaire.free.fr/; www.citemaison.fr/;

Carnet de bord

Alexandra Dubuc et Margot Bontemps

Le 22 septembre :
Projet prévu : les panneaux solaires thermiques

Le 5 octobre :
Recherche sur l’effet de serre.

Le 6 octobre :
Recherche de sites sur les panneaux solaires.

Le 8 octobre :
Recherche du matériel par panneau.

Le 20 octobre :
Recherche sur « comment faire de l’effet de serre ? ». Sélection de quelques matériaux.

Le 27 octobre :
Recherche de sites pour le montage de panneaux solaires.

Le 14 novembre :
Plan d’une maquette d’un panneau solaire.

Le 28 novembre :
Recherche sur les capteurs solaires vitrés.

Le 5 décembre :
Dossier sur les différents panneaux solaires.

Le 29 décembre :
Démarches expérimentales.

Le 28 janvier :
Amélioration du dossier.

Le 30 janvier :
Construction de deux panneaux solaires thermiques en classe.

Le 5 février :
Amélioration du dossier.

Le 6 février :
Finitions du dossier.

Le 10 avril :
Finitions des panneaux solaires thermiques et travail de l’affiche.

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