Le capteur est composé de 30 tubes de verre sous vide qui contiennent chacun un plaque métallique noire absorbant le rayonnement solaire. Sur chaque plaque est soudé un tube contenant un gaz sous pression qui a pour fonction de transporter la chaleur récoltée au sein des tubes vers un échangeur thermique situé dans la partie haute du capteur. Cet échangeur fait passer la chaleur transportée par le gaz dans un second fluide qui est de l'eau glycolée et qui a pour fonction de transporter la chaleur depuis le capteur jusque dans le réservoir (par l'intermédiaire du serpentin situé dans la moitié inférieure du réservoir). C'est le circuit de cette eau glycolée qui est représenté dans le schéma ci-dessus.
L'eau dans le réservoir est stratifiée (disposée en couches) : l'eau chaude au-dessus et l'eau froide en dessous. Il y a deux principes à retenir pour pouvoir comprendre le fonctionnement du réservoir :
1) quand une masse d'eau est chauffée dans le bas du réservoir, elle a tendance à monter et cherche à atteindre un niveau plus haut dans le réservoir où l'eau a la même température (c'est ce qui s'appelle l'échange de chaleur par convection).
2) quand une masse d'eau est chauffée dans le haut du réservoir, elle n'a pas tendance à se mélanger avec les couches d'eau plus froides qui sont en dessous d'elle et elle n'échange donc pratiquement pas de chaleur vers le bas (échange de chaleur par conduction).
La moitié supérieure du réservoir est chauffée par le chauffage central, comme avec une installation classique. La moitié inférieure est chauffée par le capteur solaire. En hivers, le capteur solaire "préchauffe" en quelque sorte l'eau qui sera ensuite chauffée par le chauffage central dans la partie haute du réservoir. En été, le capteur donne suffisamment de chaleur pour pouvoir se passer complètement du chauffage central (qui est évidemment à l'arrêt durant cette saison).
L'interprétation des températures mesurées par les sondes vertes et orange n'est pas évidente. La sonde de température orange, située au sommet du réservoir mesure la température de l'eau chauffée par le soleil ET par le chauffage central (sauf s'il est débranché). La sonde de température verte, située à la moitié de la hauteur du réservoir, mesure la température de la couche d'eau la plus élevée de la moitié inférieure du réservoir, qui n'a été chauffée QUE par le capteur solaire.
1) En été, le chauffage central est coupé. La sonde verte ne mesure alors pas nécessairement la température maximale atteinte par l'eau qui n'a été chauffée que par le chauffage solaire. En effet, de l'eau chauffée à plus haute température a pu monter plus haut dans le réservoir. L'eau la plus chaude est montée jusqu'au sommet du réservoir et c'est donc la sonde orange qui en mesure la température.
2)
En hivers, le chauffage central se met en fonctionnement à 18h30 et chauffe la partie supérieure du réservoir. Cette eau très chaude occupe le dessus du réservoir et sa température est donnée par la sonde orange. La sonde verte mesure alors la température maximale atteinte par l'eau qui n'a été chauffée que par le chauffage solaire. En effet, cette eau ne peut pas monter plus haut dans le réservoir, puisqu'elle est surmontée par une eau très chaude.
Tout ceci n'est vrai que s'il n'y a pas consommation d'eau chaude durant la journée. Si une partie du réservoir d'eau est consommée durant la journée, il n'est pas facile de savoir avec certitude ce que mesure la sonde verte.
Contrairement à la sonde verte, qui pénètre au coeur même du réservoir par l'intermédiaire d'un doigt de gant, la sonde orange est une sonde externe : elle est fixée au sommet du réservoir contre la paroi métallique de celui-ci. Elle donne par conséquent une température qui est inférieure de 2 à 4°C à la température de l'eau à cause d'une moins bonne transmission de la chaleur.
Par ailleurs, la buse de soutirage d'eau chaude n'est pas située exactement au sommet du réservoir mais 6 cm en dessous. Il existe par conséquent une lentille d'eau chaude qui tend à rester immobile au sommet du réservoir et qui influence la température mesurée par la sonde orange. Ainsi, lorsque l'on soutire toute l'eau chaude du réservoir, il faut attendre plusieurs dizaines de minutes pour que la lentille d'eau chaude coincée sous le capteur orange se refroidisse à son tour.
Dans d'autres circonstances, la température orange adopte un comportement qui peut paraître aberrant. Elle se met à diminuer légèrement alors même que le capteur solaire est en train de produire de la chaleur. Ceci peut s'expliquer par les mouvements dus à la convection de l'eau lorsque le serpentin inférieur se met à échanger de la chaleur avec l'eau du réservoir. Ces mouvements d'eau vers le haut provoquent une érosion et un refroidissement de la lentille d'eau chaude par sa base. La température orange se met à diminuer alors même qu'il y a un apport de chaleur plus bas dans le réservoir.
Au moment où ce graphique à été enregistré, seules les sondes rouge, bleue et vert étaient installées.
1) Au début de la journée, la moitié inférieure du réservoir est remplie d'eau tiède à 45°C, qui est un reste de l'eau chauffée la veille par le capteur solaire. Durant la nuit précédente, seule la moitié supérieure du réservoir a reçu de la chaleur du chauffage central, via le serpentin supérieur.
2) Le Soleil commence à chauffer le panneau solaire (ligne rouge). Lorsque la température dans le panneau dépasse de 6°C celle du retour du serpentin, le circulateur se met en route. Il s'arrête lorsque l'écart de température n'est plus que de 4°C. Un membre de la famille prend une douche à 8h00. L'eau chaude qui sert à la douche provient de la moitié supérieure du réservoir. Cette eau consommée a été remplacée par de l'eau provenant de la moitié inférieure, qui est montée dans la partie supérieure du réservoir. A son tour, cette eau est remplacée dans le bas du réservoir par de l'eau provenant du réseau de distribution d'eau à 17°C. La température de la moitié supérieure du réservoir descend jusqu'à 33°C.
3) Il y a transfert de chaleur du panneau vers le réservoir tant que la courbe rouge est au-dessus de la courbe bleue. Le circulateur (qui se met en marche, s'arrête, se remet en marche, etc.) a pour effet de maintenir un écart de 4°C entre la courbe rouge et la courbe bleue. La courbe verte suit l'allure des courbes bleues et rouges. Elle est légèrement au-dessus de la courbe rouge à cause d'un problème de calibrage de la sonde verte (elle devrait être juste en dessous).
4) Le circulateur s'arrête parce que la température du retour du serpentin a atteint 60°C. Cette température maximale de 60°C pour le retour du serpentin est fixée pour des raisons de sécurité : on ne veut pas que la température de l'eau dans le réservoir soit trop élevée en fin de journée, pour éviter tout risque de brûlure ou de détérioration des joints en caoutchouc du réservoir d'eau chaude (suite à ce graphique du 13-03-06, la température maximale du retour du serpentin a été fixée à 70°C au lieu de 60°C, à titre expérimental ; elle a été remise à 60°C dès le 16 juin pour des raisons de sécurité). Lorsque la température de 60°C est atteinte à la sortie du serpentin, le circulateur n'envoie plus de fluide pouvant refroidir le capteur solaire. La température dans le capteur monte à ce moment de façon non contrôlée. Elle peut atteindre 250 °C en été. A cette température, il s'établit un équilibre entre l'énergie solaire reçue par le capteur et celle qu'il émet à cause de sa température élevée.
5) En fin de journée, l'eau de la moitié inférieure a atteint 67°C et se refroidit lentement (pertes par isolation imparfaite du réservoir).
Au moment où ce graphique à été enregistré, seules les sondes rouge, bleue et vert étaient installées.
Il s'agit d'un jour particulièrement ensoleillé. Vers 12h, le plein d'eau chaude est terminé. La température de retour du serpentin (courbe bleue) a atteint 60° et le circulateur se coupe. Le capteur solaire n'étant plus refroidi, la température y monte très rapidement, pouvant atteindre 250°C. Dans ces conditions, le capteur solaire se coupe pour des raisons de sécurité. Toute remise en route du circulateur est empêchée tant que la température dans le capteur n'est pas redescendue en dessous de la température maximale permise, fixée à 140°C. C'est ce qui se produit vers 17h30. Le circulateur est alors autorisé à se remettre en route, ce qu'il fait tant que la courbe rouge est en dessous de la bleue.
La régulation et l'acquisition des données de l'installation solaire a évolué dans le temps. La régulation est assurée depuis mars 2008 par un régulateur Vessmann Vitosolic 200, qui donne une régulation beaucoup plus efficace que l'ancien système Vitosolic 100. Le système d'acqusistion des données de température a également changé plusieurs fois. Entre juin 2008 et le 14 novembre 2008, l'acquistion des données se faisiat avec l'aide d'un datalogger Viessmann (fabriqué par Resol sous le nom Datalogger DL1). Cette solution a été abandonnée parce que le datalogger se bloquait périodiquement pour une raison qui n'a pas pu être déterminée (même avec l'aide de RESOL). Avant le datalogger, nous avions utilisé une carte d'acquisition analogique-digitale (National Instruments PCI 6025E) qui repiquait, à l'aide d'amplificateurs, les signaux des sondes de températures de l'installation. Depuis le 14 novembre 2008, nous avons remis en fonctionnement la carte d'acquisition, mais nous avons cette fois-ci installé nos propres sondes de température (Pt100) en parallèle avec celles de Viessman. Nous avons conçu et réalisé nous-même les circuits électroniques nécessaires pour utiliser les sondes de température.
Les 32 panneaux photovoltaïques (2,5 kW en crête) sont des cellules à couche mince cuivre-indium-silicium de fabrication Wurth (CuInSe2, même formule chimique que celle du minéral chalcopyrite, CuFeS2). Ils ont été montés par la firme Sunswitch. Ils seront mis en fonction prochainement.
Un pyranomètre (du grec pur, feu, ana, dessus et metron, la mesure) a été installé au début novembre 2008. Il s'agit d'un appareil qui mesure l'intensité du rayonnement solaire atteignant la surface du sol (irradiance, en watt par m2). Le pyranomètre utilisé est un Eppley PSP (Eppley Laboratory, Inc. Precision Spectral Pyranometer), qui est considéré comme un instrument de référence. Le pyranomètre PSP Eppley équipe de très nombreuses stations météorologiques à travers le monde. Il sert à mesurer le flux de chaleur solaire (en le dirigeant vers le haut) ou terrestre (en le dirigeant vers le bas) et contribue ainsi à établir le bilan radiatif de la Terre qui est à la base de l'effet de serre. Comme il fournit une mesure directe du flux d'énergie solaire atteignant les capteurs solaires thermiques et photovoltaïques, il constitue l'instrument le plus approprié pour mesurer le rendement de ces capteurs.
L'appareil comporte une surface noire absorbante qui s'échauffe sous l'effet du rayonnement lumineux incident. La surface noire est en contact avec la jonction "chaude" d'un détecteur de chaleur qui fonctionne par effet thermoelectrique (thermopile ; effet Seebeck). Deux hémisphères en verre Schott transparent à une large gamme de longueurs d'onde protègent la surface noire et la thermopile des intempéries et réduisent les échanges thermiques entre la jonction chaude de la thermopile et l'environnement. Le corps de l'instrument est en bronze massif et sert à fournir une température de référence pour la partie "froide" de la thermopile (jonction de référence). La thermopile fournit un voltage très faible, qui doit être amplifié pour pouvoir être mesuré. Pour notre PSP, nous avons construit l'amplificateur décrit par Harrison et Knight (2006).
Harrison, R.G. and Knight, J. R.(2006) Thermopile radiometer signal conditioning for surface atmospheric radiation measurements. Review of Scientific Instruments, 77, 116105.
Généralement les pyranomètres sont installés à l'horizontale. Dans notre installation, nous incliné le pyranomètre de façon à la mettre dans le plan des capteurs (à 45°, qui est la pente du toit). Il mesure donc exactement l'énergie reçue par le capteur thermique et le capteur photovoltaïque.
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