Comment chauffer l'eau avec l'énergie solaire : Différence entre versions

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Hot water is required for many purposes and the sun can be used effectively, efficiently and economically to provide this heat. The warming effect of solar radiation is obvious and it is well known that a container of cold water, left exposed to the sun will be raised in temperature. Solar water heating systems are designed to make convenient use of this phenomenon.
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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.  
  
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Solar water heaters generally employ a solar collector and a storage tank. The solar water heating collector is by far the most widespread solar energy conversion device and there are several millions in use around the world. There are many simple designs of collectors and water heating systems. Construction and manufacture is easily achievable in most developing countries.
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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.  
  
 
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The energy required to raise the temperature of a substance is a physical property known as the specific heat of the particular substance. The specific heat of water is 4.2J/g/ <sup>o</sup>C, i.e. 4.2 joules of energy are required to raise the temperature of one gram of water by one degree centigrade. Using larger and more familiar units:
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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 /<sup>o</sup>C, 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:  
  
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Energy required (kJ) = 4.2 x volume (litres) x temperature rise (<sup>o</sup>C)
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L'énergie requise (kJ) = 4,2 x volume (litres) x augmentation de la température (<sup>o</sup>C)
  
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Thus, in order to consider energy sources for water heating, the parameters that must be known are the volume of water required in a given time period (hour, day), the temperature of the 'cold' water, and the required delivery temperature. Hot water may be used for a variety of purposes, but as an example, domestic use is considerable. Here usage varies widely; in industrialised countries an average of around 50 litres per person per day is normal, in developing countries the more wealthy inhabitants may use this amount or more, while the poor may not use hot water at all.
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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.
  
 
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==Example==
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==Exemple==
  
 
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For the comparisons which follow a daily requirement for 100 litres of water at 60 <sup>o</sup>C with an ambient water temperature of 20 <sup>o</sup>C is used. Thus the energy requirement is:
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Pour les comparaisons qui suivent une exigence quotidienne pour 100 litres d'eau à 60<sup>o</sup>C avec une température de l'eau ambiante de 20 °C est utilisée. Ainsi, le besoin en énergie est la suivante:  
  
 
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It is more convenient for the examples that follow to measure energy in kWh. To convert megajoules (MJ) into kWh divide by 3.6 (1kWh = 3.6MJ) thus 16.8MJ = 4.7kWh.
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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.  
  
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This is the amount of energy that must be put into the water. With many water-heating systems not all the energy used goes into heating the water, i.e. there are heat losses - the process is not 100% efficient. Some examples are given below.
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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.  
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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<sup>o</sup>C - exigerait 4,7 Kwh d'électricité, ou par exemple un 1 kW pour près de cinq heures.  
  
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Electric resistance heating is almost 100% efficient. Hence, to heat the water in the above example - 100 litres through a temperature rise of 40 <sup>o</sup>C - would require 4.7kWh of electricity, or for example a 1kW rated electric immersion heater running for nearly five hours.
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Bien que l'électricité est efficace à l'eau de chauffage, elle est coûteuse et n'est pas disponible partout.
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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<sup>o</sup>C, 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%).
  
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Although electricity is efficient at heating water it is expensive and not available everywhere.
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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<sup>o</sup>C, il faudrait un capteur solaire d'une superficie de 4,7 / (6 x 0,3) = 2.6sup>2</sup>.  
  
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Water is usually heated by burning fuel. An oil (kerosene) or gas fuelled water heater has an efficiency of around 50%, while heating water on an open fire has an efficiency of about 10%. In this latter case to heat the 200 litres of water through 40 <sup>o</sup>C would require fire wood with a calorific value of nearly This is equivalent to about 10kg of low (15%) moisture wood 100kWh.
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En général:
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By comparison, a simple solar water heater might have an efficiency of around 30%. On a very sunny day the solar energy received might be 6kWh/m<sup>2</sup>. Thus, to heat 100 litres of water through 40 <sup>o</sup>C would require a solar collector with an area of 4.7/(6 x 0.3) = 2.6m<sup>2</sup>.
 
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In general:
 
  
 
<sub>[[Image:SolarWaterHeating_00.gif]]</sub>
 
<sub>[[Image:SolarWaterHeating_00.gif]]</sub>
  
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The above example is intended only to give a rough indication. The energy available from the sun and the performance characteristics of solar collectors vary in a complex way and generalisations should be used with caution.
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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.  
  
 
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==The availability of solar energy==
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==La disponibilité de l'énergie solaire==
  
 
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The power density of solar energy reaches a maximum of about 1000W/m<sup>2</sup> at sea level. This is made up of two components, the radiation in the direct beam from the sun, and diffuse radiation from the sky (radiation that has been scattered by the atmosphere). On a clear day diffuse energy may amount to 15-20% of the global irradiance whereas on a cloudy day it will be 100%.
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La densité de puissance de l'énergie solaire atteint un maximum d'environ 1000W/m<sup>2</sup> 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%.
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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 / m<sup>2</sup> et en été, au Royaume-Uni, peut être aussi élevée que de 7kWh/m<sup>2</sup> dans les régions désertiques du monde. De nombreuses régions tropicales n'ont pas de grandes variations saisonnières et peuvent recevoir une moyenne de 6kWh / m<sup>2</sup>/jour toute l'année.  
  
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Global irradiance varies throughout the course of the day because the path length of the solar radiation through the atmosphere changes. For the same reason, there are variations with season and latitude. The total solar energy received in a day (known as the insolation or solar irradiation) can vary from 0.5kWh m<sup>2</sup>/ in the UK winter to 5kWh/ m<sup>2</sup> in the UK summer and can be as high as 7kWh/m<sup>2</sup> in desert regions of the world. Many tropical regions do not have large seasonal variations and receive an average 6kWh/ m<sup>2</sup>/day throughout the year.
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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.  
  
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This variability is an important aspect of solar energy because it influences system design and solar energy economics. The size of the solar collector required for a particular application is dependent on the location under consideration.
 
  
 
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==The technology==
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==La technologie==
  
 
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When radiant energy strikes the surface of an object, a proportion (depending upon the angle of incidence and the nature of the surface) is reflected, part is absorbed and part may be transmitted through the object. With a few important exceptions, such as photovoltaic cells, the energy of the absorbed radiation is degraded rapidly to heat.
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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.  
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The balance between the absorbed input energy and the heat loss to the environment determines the temperature attained. The heat loss increases with the temperature and limits the ultimate temperature attained by a collector system. It also reduces the proportion of useful heat extractable from the system. Maximum temperatures and maximum useful power outputs are therefore obtained when a highly absorbent, well-insulated body is exposed to a high intensity of solar radiation. A wide range of systems, designed to meet a variety of needs and situations, have been developed and many are available commercially.
 
  
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The best known solar heating device is the flat-plate collector, which is widely used for water heating in many parts of the world. The flat-plate collector absorbs as much as possible of the incident solar energy that falls upon it. Since the collector is normally fixed in position, the plate is close to perpendicular to the beam of sunlight (and therefore maximum absorption) for only part of the time, and the level of energy received therefore varies more strongly with time and season than does the actual intensity of the solar radiation. Because of the large areas over which heat can be lost, the retention of heat and hence the collection efficiency, falls off rapidly with increase in collection temperature. Since domestic water is normally needed at only about 50<sup>o</sup>C this is not normally a problem.
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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.  
  
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A simple flat-plate collector is shown in Figure 1. This consists of:<br />
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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<sup>o</sup>C, ce qui n'est normalement pas un problème.
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Un collecteur plan simple est illustré à la figure 1. Il est composé de:
 
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• un absorbeur qui est peint en noir et dont la chaleur est évacuée par un fluide de transfert de chaleur <br />
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• un couvercle transparent pour l'isolation du rayonnement solaire <br />
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• une isolation à l'arrière et sur les côtés de l'absorbeur <br />
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• un revêtement pour protéger l'amortisseur et son isolation. <br />
  
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• an absorber that is painted black and from which heat is removed by a heat transfer fluid
 
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• a cover which is transparent to solar radiation
 
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• insulation at the back and sides of the absorber
 
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• a casing to protect the absorber and its insulation.
 
  
 
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[[Image:SolarWaterHeating_01.gif]]<br /> Figure 1: A simple flat plate collector
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[[Image:SolarWaterHeating_01.gif]]<br /> Figure 1: un collecteur plan simple  
  
 
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The absorber may be made from one of a wide range of materials, including copper, stainless steel, galvanised steel, aluminium and plastics. When choosing an absorber material, it is important to ensure that it is compatible, from the point of view of corrosion, with the other components in the system and with the heat transfer fluid used. The absorber must also be able to withstand the highest temperature that it
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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).  
  
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might reach on a sunny day when no fluid is flowing in the collector (known as the stagnation temperature).
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Les passages de fluide de l'absorbeur peuvent être composés de tubes collés à une plaque absorbante, ou faire partie intégrante de l'absorbeur.  
  
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The fluid passageways of the absorber may consist of tubes bonded to an absorbing plate, or may form an integral part of the absorber.
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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.  
  
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Experience has shown that simple mechanical clamping of tubes to an absorber plate is likely to result in an absorber with a poor efficiency. A good thermal bond, such as a braze, weld or high temperature solder is required for tube and plate designs, in order to ensure good heat transfer from the absorbing surface into the fluid.
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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.  
  
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Matt black paints are commonly used for absorber surfaces because they are relatively cheap, simple to apply and may be easily repaired. Paints, however, have the disadvantage that they are usually strong emitters of thermal radiation (infrared), and at high temperature this results in significant heat losses from the front of the collector.
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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.  
  
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Heat losses from the collector can be substantially reduced by the use of absorber coatings known as 'selective surfaces'. These surfaces may be applied by electroplating or by dipping a metal absorber in appropriate chemicals to produce a thin semi-conducting film over the surface. The thin film will be transparent to solar radiation but at the same time appear opaque to thermal radiation. However, these surfaces cannot be produced or applied easily.
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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.  
  
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Flat-plate collectors usually have a transparent cover made of glass or plastic. The cover is required to reduce heat losses from the front of the collector and to protect the absorber and the insulation from the weather. Most covers behave like a greenhouse. They permit solar radiation to pass into the collector, but they absorb the thermal radiation emitted by the hot absorber.
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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.  
  
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A solar water heating system consists essentially of a flat-plate collector and a water storage tank. The simplest arrangement is illustrated in Figure 2. In this, the tank is placed at a higher level than the collector so that the heated water will run from the collector to the tank and induce natural circulation by convection (thermosyphon). These systems can be very reliable provided the pipe-work diameter is adequate and there are not sharp bends. This is the most common design of solar water heaters used in developing countries.
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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.  
  
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At night it is possible for the collector to lose heat by radiation and the circulation will be in the opposite direction, so the water will cool. This can be overcome by use of a suitable non-return valve. However, there is a danger with solar collectors when used under clear night conditions (e.g. in arid and semi arid regions) that they can actually freeze even when the ambient temperature is above freezing point. In such conditions it may be necessary to have a primary circuit through the collector filled with antifreeze and a separate indirect hot water cylinder where the water from the collector passes through a copper coil to heat the main water supply. This problem will only apply in certain desert regions in the cold season or at high altitudes in the tropics and sub-tropics.
 
  
 
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[[Image:SolarWaterHeating_02.gif]]<br /> Figure 2: solar water heating system
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[[Image:SolarWaterHeating_02.gif]]<br /> Figure 2: chauffe-eau solaire
  
 
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It is also possible to pump the water between the collector and tank. This allows the two components to be more widely separated and the tank does not have to be at a level higher than the collector, however, these systems are much more complex and electricity is required to power the circulating pump.
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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.
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==Costs==
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==Frais==
  
 
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==References and further reading==
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==Références et autres lectures==
  
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'''This Howtopedia entry was derived from the Practical Action Technical Brief ''Solar Water Heating - Technical Brief ''.  <br />To look at the original document follow this link:
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'''Cette entrée Howtopedia est dérivée de Practical Action Technical Brief ''Solar Water Heating - Technical Brief ''.  <br />Pour consulter le document original, suivez ce lien:  
 
http://www.practicalaction.org/?id=technical_briefs_water
 
http://www.practicalaction.org/?id=technical_briefs_water
  
 
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The following publications provide more detailed, easy to understand, information on solar water heating.
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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<br /> • ''Heating Water by the Sun'' UK-ISES 1981<br /> • ''Solar Domestic Hot Water'' by Plante R H Wiley and Sons - 1983<br /> • ''Practical Solar Heating'' McCarthy K/Ford B - - Prism Press - 1978
 
• ''Solar Water Heating: A D-I-Y Guide'' CAT Publications - 1999<br /> • ''Heating Water by the Sun'' UK-ISES 1981<br /> • ''Solar Domestic Hot Water'' by Plante R H Wiley and Sons - 1983<br /> • ''Practical Solar Heating'' McCarthy K/Ford B - - Prism Press - 1978
  
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James and James produce quite a few renewable energy publications including; The World Directory of Renewable Energy, Renewable Energy World, and Solar Energy Houses.
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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).  
  
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==Usefull addresses==
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==Adresses utiles==
 
'''Practical Action'''
 
'''Practical Action'''
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The Schumacher Centre for Technology & Development, Bourton on Dunsmore, RUGBY, CV23 9QZ, United Kingdom.<br />
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The Schumacher Centre for Technology & Development, Bourton on Dunsmore, RUGBY, CV23 9QZ, Royaume Uni.<br />
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Tel.: +44 (0) 1926 634400, Fax: +44 (0) 1926 634401
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Tél.: +44 (0) 1926 634400, Fax: +44 (0) 1926 634401
 
e-mail:practicalaction@practicalaction.org.uk web:www.practicalaction.org
 
e-mail:practicalaction@practicalaction.org.uk web:www.practicalaction.org
 
<center>[[Image:Pa-logo-200x103.gif]]</center>
 
<center>[[Image:Pa-logo-200x103.gif]]</center>
  
  
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'''James & James (Science Publishers) Ltd.'''<br /> 35 - 37 William Road,  London, NW1 3ER, United Kingdom<br /> Tel: +44 (0)20 7387 8558,  Fax: +44 (0)20 387 8998<br />
+
'''James & James (Science Publishers) Ltd.'''<br /> 35 - 37 William Road,  London, NW1 3ER, Royaume Uni<br /> Tél: +44 (0)20 7387 8558,  Fax: +44 (0)20 387 8998<br />
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Website: http://www.jxj.com
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Web: http://www.jxj.com
  
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Information can also be obtained from the following organisations:
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Des informations peuvent également être obtenues des organisations suivantes:
  
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'''The Solar Energy Society'''<br /> School of Engineering, Oxford Brooks University,  Gipsy Lane Campus, Headington, Oxford,  OX3 0BP, United Kingdom<br /> Tel: +44 (0)1865 484367, Fax: +44 (0)1865 484263<br />  Website: http://www.brookes.ac.uk/uk-ises<br /> The Solar Energy Society is a non-profit organisation. It is a forum for all those interested in the advancement of the utilisation of the sun's energy. Members of the Society are drawn from industry, government, academic institutions, architectural and engineering practices, as well as the general public: academic qualifications are not a pre-requisite for membership.
+
'''The Solar Energy Society'''<br /> School of Engineering, Oxford Brooks University,  Gipsy Lane Campus, Headington, Oxford,  OX3 0BP,Royaume Uni<br /> Tél: +44 (0)1865 484367, Fax: +44 (0)1865 484263<br />  Web: http://www.brookes.ac.uk/uk-ises<br /> 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.  
  
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'''NEF Renewables''',<br /> The National Energy Foundation, Davy Avenue, Knowlhill, Milton Keynes,  MK5 8NG, United Kingdom<br /> Tel: +44 (0)1908 665555,  Fax: +44 (0)1908 665577<br />  
+
'''NEF Renewables''',<br /> The National Energy Foundation, Davy Avenue, Knowlhill, Milton Keynes,  MK5 8NG, Royaume Uni<br /> Tél: +44 (0)1908 665555,  Fax: +44 (0)1908 665577<br />  
−
'''The Solar Trade Association Ltd*'''<br /> Pengillan,  Lerryn,  Lostwithiel,  Cornwall,  PL22 0QE, United Kingdom<br /> Tel: +44 1208 873518,  Fax: +44 1208 873518<br /> Website: http://www.greenenergy.org.uk/sta/<br /> Trade association for the UK. Manufactures and installers of solar equipment.
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'''The Solar Trade Association Ltd*'''<br /> Pengillan,  Lerryn,  Lostwithiel,  Cornwall,  PL22 0QE, Royaume Uni<br /> Tél: +44 1208 873518,  Fax: +44 1208 873518<br /> Web: http://www.greenenergy.org.uk/sta/<br /> Association du commerce pour le Royaume-Uni. Fabriques et installateurs d'équipements solaires.
  
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'''The Information Officer''' *<br /> Solar Energy Unit,  University College of Wales, Cardiff,  Newport Road,  Cardiff,  CF2 1TA,  United Kingdom<br /> *Can supply a list of solar collector manufacturers.
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'''The Information Officer''' *<br /> Solar Energy Unit,  University College of Wales, Cardiff,  Newport Road,  Cardiff,  CF2 1TA,  Royaume Uni<br /> *Peut fournir une liste de fabricants de capteurs solaires.
  
 
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Version actuelle datée du 4 juin 2010 à 13:38

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 60oC 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 40oC - 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 40oC, 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 40oC, il faudrait un capteur solaire d'une superficie de 4,7 / (6 x 0,3) = 2.6sup>2</sup>.

En général:

SolarWaterHeating 00.gif

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 50oC, 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.


SolarWaterHeating 01.gif
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.


SolarWaterHeating 02.gif
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

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James & James (Science Publishers) Ltd.
35 - 37 William Road, London, NW1 3ER, Royaume Uni
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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,
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Tél: +44 (0)1908 665555, Fax: +44 (0)1908 665577
The Solar Trade Association Ltd*
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Tél: +44 1208 873518, Fax: +44 1208 873518
Web: http://www.greenenergy.org.uk/sta/
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Solar Energy Unit, University College of Wales, Cardiff, Newport Road, Cardiff, CF2 1TA, Royaume Uni
*Peut fournir une liste de fabricants de capteurs solaires.

Catégories

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