Le capteur est composé de 30 tubes de verre sous vide qui contiennent chacun une plaque métallique noire absorbant le rayonnement solaire. Sur chaque plaque est soudé un tube en cuivre contenant un gaz sous pression qui a pour fonction de transporter la chaleur récoltée au sein des tubes vers un échangeur de chaleur 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 véhiculer la chaleur depuis le capteur jusque dans le réservoir (par l'intermédiaire du serpentin situé dans la moitié inférieure du réservoir et d'un circulateur). C'est le circuit de cette eau glycolée qui est représenté dans le schéma ci-dessus.
Il est à noter que le circulateur du circuit d'eau glycolée s'arrête lorsque la température du retour du serpentin (température bleue) atteint 70°C. Cette température maximale de 70°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. Lorsque la température de 70°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 (point rouge) monte à ce moment de façon non contrôlée. Elle peut atteindre 250 °C en été, qui est la température à laquelle s'établit un équilibre entre l'énergie solaire reçue par le capteur et celle qu'il perd par rayonnement à cause de sa température élevée. Le circulateur d'eau glycolée n'est autorisé à se remettre en marche que lorsque la température dans le capteur est redescendue en dessous de 110°C (en fin de journée ou lors d'un épisode nuageux).
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).
Sans capteur solaire, il faut 0.825 m3 de gaz naturel (c'est-à-dire approximativement 8.25 kWh) et 36 minutes de fonctionnement du chauffage central pour amener l'eau de la moitié supérieure du réservoir de la température de 24.7 à 65.4°C (voir le graphique du 1-1-2012). Ceci permet d'estimer par calcul le volume de la masse d'eau contenue dans la moitié supérieure du réservoir : 174.8 litres. Le volume de la moitié inférieure du réservoir est donc de 300 - 174.8 = 125.2 litres.
Pendant plusieurs années, les données du site eausolaire.eu ont été acquises en utilisant un ordinateur (voir l'historique ci-dessous). Cet ordinateur de type tour était constamment allumé et consommait une quantité non négligeable d'énergie (100 W durant 24 heures, cela fait 2,4 kWh par jour !). Nous avons donc entrepris de le remplacer par un microcontrôleur, qui consomme beaucoup moins (quelques watts). Le système d'acquisition actuel est construit autour du microcontrôleur Tini de Maxim. Il s'agit d'un microcontrôleur créé il y a dix ans par Dallas (racheté par Maxim) pour illustrer le concept de la "cafetière électrique sur Internet", concept selon lequel tous les équipements électriques allaient bientôt être interfacés sur Internet, ce qui permettrait de les contrôler à distance. Le Tini se programme dans le langage emblématique d'Internet, le Java. Dallas avait réuni une équipe d'ingénieurs talentueux autour de Tini qui laissé une documentation très complète et de nombreux exemples d'application accessibles sur le site de Maxim. La firme vient malheureusement d'arrêter en 2011 la production et la vente du Tini (la firme suédoise IMSYS continue la tradition et produit un équivalent de Tini, plus puissant, mais assez cher, appelé SNAP Classic; Systronics fait la même chose avec TStik). Un des avantages de Tini est de pouvoir utiliser de façon directe la gamme de capteurs et de circuits intégrés 1-wire, une autre création intéressante de Dallas. Un autre atout de Tini pour notre projet est le superbe projet de mise sur Internet d'une station météo réalisé par Tim Bitson (weathertoys.net/weathertoys/main.html). L'auteur présente dans son site et dans son ouvrage tous les détails techniques et de programmation pour réaliser un tel projet. Notre site s'est fortement inspiré des solutions techniques et des programmes imaginés par Tim Bitson. Un dernier élément qui nous a permis d'aboutir à un système d'acquisition fiable et protégé des perturbations liées au fait que certains capteurs soient placés sur un toit à l'extérieur de la maison est la découverte d'une série de composants et d'exemples de circuits de la firme Analog Devices idéalement adaptés pour notre projet (ici, ici,et ici)
Mesure des températures sur le réservoir d'eau chaude : 3 sondes 1-wire Dallas (Maxim) DS18B20 directement branchés sur Tini. schéma
Mesure de la température dans le capteur thermique : sonde de température Pt100, convertisseur analogique-digital AD7792 en protocole SPI avec source de courant d'excitation intégrée et filtrage digital des interférences et branchement sur le port SPI du Tini par coupleur isolateur ADUM5401 (isolateur pour les signaux numériques et l'alimentation). schéma du convertisseur analogique-digital
Mesure de l'irradiance à l'aide du pyranomètre : préamplificateur de Harrison et Knight (voir ci-dessous), ampli d'instrumentation AD8226, convertisseur analogique-digital AD7792 en protocole SPI, avec filtrage digital des interférences, référence de tension REF5040, décalage de la tension de référence par ampli opérationnel MCP609, branchement sur le port SPI du Tini par coupleur ADUM5401 (isolateur pour les signaux numériques et isolation de l'alimentation). schéma du convertisseur analogique-digital .
Les deux convertisseurs analogique-digital pour la mesure de la température dans le capteur thermique et la mesure du voltage du pyranomètre sont reliés au port SPI du Tini par l'intermédiaire d'un multiplexeur 74LS244 (qui permet de brancher deux disposiifs sur un même port SPI). schéma du multiplexeur
Mesure de la production du panneau photovoltaïque : compteur de watt digital Swissnox (Energy Meter) S25 intercalé à la sortie de l'onduleur, donnant 2 pulses pour chaque Wh produit, filtrage des pulses par trigger de Schmitt avec un 555, isolation par optocoupleur 4N32, circuit intégré 1-wire DS2423 compteur de pulse directement branché sur Tini. schéma
Mesure de la quantité d'eau chaude consommée : débitmètre à vortex de marque Oval (modèle Eggs Delta), donnant un pulse par quart de litre, filtrage des pulses par trigger de Schmitt avec un 555, isolation par optocoupleur 4N32, circuit intégré 1-wire DS2423 compteur de pulse directement branché sur Tini. schéma
La régulation et l'acquisition des données de l'installation solaire ont évolué dans le temps. La régulation de l'installation thermique 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'acquisition des données se faisait 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-mêmes les circuits électroniques nécessaires pour utiliser ces sondes de température. Les mesures sont prises toutes les 10 secondes et à la fin de chaque minute, la moyenne des 60 mesures est calculée et stockée. Depuis le 9 décembre 2011, la totalité du système d'aquisition a été remplacée par le nouveau système basé sur le microcontrôleur Tini décrit ci-dessus. Dans la version actuelle seule une mesure est prise par minute.
Un pyranomètre (du grec pur, feu, ana, dessus et metron, la mesure) a été installé au début novembre 2008. Il s'agit d'un pyranomètre Eppley PSP (Eppley Laboratory, Inc., Precision Spectral Pyranometer), qui est considéré comme un instrument de hautes performances ("First Class" suivant ISO ISO 9060:1990(E) ; "Good Quality" suivant le World Meteorological Organization). Ce modèle équipe de très nombreuses stations météorologiques à travers le monde. Il mesure l'irradiance, c'est-à-dire la puissance du flux d'énergie solaire atteignant le sol par unité de surface (qui s'exprime en watt par mètre carré, W/m²). Il est sensible à une large gamme de longueurs d'onde, allant de l'infrarouge à l'ultraviolet (entre 280 et 2800 nm). 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 thermoélectrique (thermopile constituée de thermocouples or-palladium). Deux hémisphères en verre Schott transparent à une large gamme de longueurs d'onde dans le spectre visible 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) et nous avons choisi un coefficient d'amplification de 300 ce qui permet d'obtenir une tension de l'ordre de 3 V pour un rayonnement de 1 kW/m² (rayonnement atteint par exemple en avril vers 13h lorsque le ciel est parfaitement clair).
Généralement, les pyranomètres sont installés à l'horizontale. Ils mesurent alors l'irradiance globale, c'est-à-dire celle qui provient de toutes les sources situées dans la demi-sphère située au-dessus de cette surface : l'irradiance normale (le flux extra-terrestre provenant directement du Soleil) à laquelle s'ajoute l'irradiance diffuse, qui provient de toutes les autres parties de la demi-sphère (réflexion par les nuages et le sol, diffusion par les constituants de l'atmosphère, etc.). Dans notre installation, nous avons incliné le pyranomètre de façon à le disposer parallèlement aux panneaux solaires (à 40,5°, qui est la pente du toit). Il mesure donc exactement l'énergie reçue par le panneau thermique et le panneau photovoltaïque. A cause de son inclinaison, le pyranomètre est orienté vers le Soleil plus directement que s'il était posé à l'horizontale. L'irradiance mesurée est donc supérieure à celle qui serait fournie si le pyranomètre était disposé à l'horizontale.
Pour la calibration d'un pyranomètre, il est possible de l'envoyer pour calibration au Physikalisch-Meteorologisches Observatorium de Davos qui héberge le WRC (World Radiation Center) du WMO (World Meteorological Organization). Une autre de possiblité est de comparer plusieurs pyranomètres identiques. Nous avons pris l'option d'acquérir plusieurs pyranomètres Eppley PSP et de les comparer. Nous avons également un pyranomètre Eppley 8-48 et un pyranomètre pyranomètre à cellule photovoltaïque au silicium de marque Apogée. Le dispositif de test des trois pyranomètres Eppley PSP est visible ci-dessous. Le pyranomètre Apogée se trouve à l'extrémité inférieure droite de l'image. Le signal de chaque pyranomètre Eppley est amplifié par un amplificateur (boîte métallique, ici ouverte) et envoyé vers un datalogger Datataker DT505. Ce dernier est connecté à un portable qui peut récupérer les enregistrements réalisés.
Les trois pyranomètres Eppley PSP dont nous disposons donnent des résultats très proches. Malgré leurs âges différents, nous n'avons observé virtuellement aucune dérive dans leurs calibrations. Le pyranomètre qui est à l'arrière nous est parvenu sans écran. Nous en avons fabriqué un à l'aide d'un couvercle de casserole en inox, que nous avons peint en blanc. Le pyranomètre Apogée et le pyranomètre Eppley 8-48 ont donné des résultats très différents des trois Eppley PSP.
L'amplificateur suivant le schéma décrit par Harrison et Knight (2006). L'amplificateur, ici sans son couvercle, comprend un ampli opérationnel avec offset nul LTC1100 suivi d'un ampli opérationnel LT1006. Un convertisseur 7660 continu-continu à pompage de charge et un stabilisateur 7805 permettent d'obtenir la tension nécessaire pour les amplis opérationnels à partir d'un adaptateur secteur 12V.
Références :
Bitson, T. (2006) Weather Toys: Building and Hacking Your Own 1-Wire Weather Station, ISBN: 0-470-04046-7
Paperback, 475 pp., weathertoys.net/weathertoys/main.html
Dogniaux, R. (1982) Les rayonnements solaires, atmosphériques et terrestres. Documentation météorologique. Institut royal météorologique de Belgique, 78 pp.
Harrison, R.G. and Knight, J. R.(2006) Thermopile radiometer signal conditioning for surface atmospheric radiation measurements. Review of Scientific Instruments, 77, 116105, p.1-3.
Vignola, F., Michalsky, J. and Stoffel, Th. (2012) Solar and infrared radiation measurements. CRC Press, 394 pp.