Modélisation et réalisation d’un dispositif de chauffage d’une piscine par énergie solaire

1. Modélisation et réalisation d’un dispositif de chauffage d’une piscine par énergie solaire

2. Les différents capteurs solaires sur le marché • Panneau photovoltaïque => transformation de l’énergie solaire en électricité Source: http://www.system-plus.fr/images/pannea.jpg • Panneau solaire thermique => chauffage d’un fluide Photo d’une ailette isolée du capteur à l’endroit et à l’envers. • Capteur exclusivement réservé pour le chauffage des piscines extérieures (en polyéthylène)  http://www.presence-pc.com/tests/Les-waterblocks-a-microstructures-108/2/

3. Schéma général d’un capteur thermique • Absorbeur => absorber l’énergie solaire • Caisson + isolant => diminuer les pertes thermiques • Vitre => obtenir un effet de serre

4. Comportement des corps noirs • Flux diffusé = flux réfléchi = 0 • A l’équilibre : flux émis = flux absorbé • Rayonnement : σ.E.T4 = σ.T4

5. Ecoulement turbulent • Apparence désordonnée et comportement non-prévisible • Avantages : Amélioration des transferts de chaleur • Conditions de turbulence (dans un tuyau) : Nombre de Reynolds : Re= (Vitesse débitante * Diamètre) / viscosité cinématique Re > 2000 – 2500 ex: Diamètre=8mm  débit = 57L/h http://www.presence-pc.com/tests/Les-waterblocks-a-microstructures-108/2/

6. Flux d’énergie solaire (1) Le rayonnement solaire est atténué lors de la traversée de l’atmosphère => au sol, l’énergie solaire est inférieure à la Constante Solaire

7. Flux d’énergie solaire (2) En fonction du jour et de l’heure : la déclinaison = angle entre l’équateur céleste et le soleil • Position du soleil dépend de : • la hauteur (h) = angle entre l’horizontale et le soleil • l’azimut (a) = angle entre le sud et le soleil

8. Flux d’énergie solaire (3) • Flux direct: - sur une surface perpendiculaire: - sur une surface d’inclinaison i et d’orientation : où β dépend de l’inclinaison, l’orientation et la hauteur du soleil • Flux diffus: (composé des rayons qui atteignent une surface après avoir été réfléchis) D*(0) est le le rayonnement de l’atmosphère et G*(0) le rayonnement solaire global sur un plan horizontal

9. Pertes au niveau de la piscine • Evaporation: passage de molécules d’eau de l’état liquide à l’état gazeux • Rayonnement: énergie émise dans toutes les directions par l’eau • Convection : échange de chaleur entre l’air et l’eau • Conduction: négligée car les parois sont isolées thermiquement où V = la vitesse du vent ; psat= pression partielle de la vapeur d’eau dans de l’air saturé ; Tp= température de la piscine ; Ta = température de l’air ; HR = humidité relative de l’air ; Lk= chaleur latente de vaporisation ; Eeau= émissivité de l’eau ; Eair= émissivité de l’air ; h = coefficient d’échange thermique

10. Pertes au niveau du capteur • Rayonnement : • Conduction: négligeable car capteur isolé thermiquement • Convection : négligeable car faible

11. Capteur avec vitre • L’utilisation de la vitre permet d’obtenir un effet de serre • L’effet de serre consiste à emprisonner l’énergie apportée par le rayonnement solaire

12. Bilan thermique • Puissance dissipée (au niveau de la piscine): • Puissance disponible (au niveau du capteur): (1) (2) Température de sortie de l’eau: (1) -> Température de l’absorbeur: Surface de capteur: (2) ->

13. Résultats de la modélisation Matlab pour le flux solaire (1) Graphiques de la hauteur du soleil en fonction de l’heure solaire et de l’azimut en fonction de l’heure solaire pour le 21 juin.

14. Résultats de la modélisation Matlab pour le flux solaire (2)

15. Résultat de la modélisation Matlab pour le flux solaire (3) 21 juin à 12h : Flux direct = 1038 W/m² Flux diffus = 118,6 W/m² Flux global = 1156,6 W/m²

16. Code Matlab pour le bilan thermique Exemples : 1 Août (18h) Vent = 1 m/s Humidité = 30% Surface de piscine = 50 m² Inclinaison = Orientation = 0° Flux global = 436,34 W/m² 14h : Surface de capteur négative  Piscine chauffe d’elle-même

17. Réalisation: matériaux • Caisson: - en général -> en aluminium car n’absorbe pas l’eau et a une longue durée de vie - notre choix -> en bois car plus facile à manipuler et moins cher • Isolation: - laine de verre et laine de roche: irritantes, conductivité = 0,04W/mK - mousse de polyuréthane: conductivité = 0,03W/mK - notre choix -> mousse de polyuréthane car plus facile à utiliser • Absorbeur: - métaux: grande conductivité thermique - cuivre: assez cher, se corrode avec l’eau chlorée, facile à souder - aluminium: moins cher, ne se corrode pas mais difficile à souder - polymères: conductivité thermique faible - notre choix -> cuivre car conductivité thermique élevée plastique car représente le capteur le plus basique • Vitre: - verre trempé antireflet : difficile à découper sans faire d’éclat - notre choix -> une vitre normale

18. Méthode expérimentale • But: déterminer le meilleur type de capteur • Méthode : - Comparaison des systèmes et des matériaux - Mesure de la température dans la piscine au cours du temps

19. Système en échelle en cuivre (1) • Compromis: efficacité et prix • Notre choix: Diamètre : 8mm Ecarts entre les tuyaux: 6,25 cm Rendement = 80 %

20. Système échelle en cuivre (2) • Construction: • -les tuyaux ont été assemblés par soudure • - la plaque a été soudée sur l’ensemble des tuyaux • - la plaque a été peinte en noire pour une meilleure absorption

21. Spirale en plastique • Diamètre intérieur de 8mm (comme l’échelle) • Optimisation de la surface: enroulement du tuyau en plastique pour pouvoir obtenir une spirale • Meilleure absorption =>peint en noir • Fixation de la spirale sur la planche de bois grâce à une colle appropriée et renforcée à l’aide de clous en U

22. Système de deux plaques de cuivre (1) But: obtenir un écoulement turbulent => dispositions d’obstacles sur le trajet de l’eau Trouver la meilleure disposition => différents tests d’écoulement

23. Système de deux plaques de cuivre (2)

24. Système de deux plaques de cuivre (3) • Construction: • - obstacles pliés puis collés sur la plaque • - les bords des deux plaques ont été soudés • - arrivée d’eau grâce à un tuyau en plastique percé de petits trous attaché à la plaque avec du silicone • - récupération de l’eau grâce à un tuyau percé de grands rectangles et attaché aux plaques avec du silicone • Problème rencontré: • - fuites aux quatre coins de la plaque

25. Tests effectués

26. Mise en situation réelle (1) • Enoncé : Un habitant de Lasne (assimilé à Bruxelles) désire construire dans son jardin une piscine de 10 m de long, 5 m de large et 1.5 m de profondeur. De début juin à fin août, il souhaite se baigner l’après-midi (de 12h à 18h) dans une eau dont la température est supérieure à 27°C. Les conditions climatiques considérées sont : temps clair avec comme air ambiant une température extérieure supérieure à 20 °C et une humidité relative supérieure à 30 %, la vitesse du vent est inférieure à 2 m/s. On vous demande de proposer un système de chauffage de sa piscine par panneau solaire satisfaisant ses exigences. Votre proposition doit contenir la surface des panneaux solaires à utiliser, le débit de circulation de l'eau de la piscine dans le dispositif de chauffage et la structure des panneaux ainsi que les matériaux utilisés. Votre proposition doit être clairement argumentée, sur base des résultats des deux premières étapes du projet. Les problèmes de régulation du fonctionnement du dispositif ne doivent pas être considérés.

27. Mise en situation réelle (2)

28. Mise en situation réelle (3) • Autre résultat: obtenu le 15 août à 16h

29. Mise en situation réelle (4) Capteurs recommandés • Spirale + Meilleur rapport qualité/prix + Prix faible : 45€ + Facile à construire chez soi - Ne permet pas d’atteindre des températures élevées -> utilisation idéale pour le chauffage de piscines extérieures (température de l’eau faible) • Système en cuivre • + Permet d’obtenir des températures élevées • -> intéressant pour d’autres applications • (chauffage d’eau sanitaire) • - Prix élevé ( échelle => 85€ et plaques => 90€ ) • -Construction nécessitant un outillage spécifique • -Besoin d’isolation