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1.3. Transfert de chaleur

1.3.3. Transfert de chaleur par rayonnement

Ce mode de transfert d’énergie thermique contrairement à la conduction et à la convection, ne nécessite pas la présence d’un support matériel ou fluide. En effet, on réunit sous l’appellation de rayonnement l’ensemble des échanges d’énergie à distance entre les corps, par ondes électromagnétiques. Ces échanges peuvent avoir lieu lorsque les corps sont séparés par le vide ou n’importe quel milieu intermédiaire suffisamment transparent aux ondes électromagnétiques. Le transfert d’énergie électromagnétique entre deux surfaces (même dans le vide) est donné par la relation :

𝜑 = 𝜎𝜆𝜀𝑝𝑠(𝑇𝑝4 − 𝑇𝑎4) (1.10)

Figure1. 5: Schéma montrant le transfert par rayonnement.

MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC 11 indépendamment de son épaisseur, de sa température, de l’angle d’incidence et de la longueur d’onde du rayonnement incident, il est défini par : 𝛼𝜆𝑇 = 1. Une surface enduite de noir de fumée est approximativement un corps noir. Propriétés du corps noir : intervalle et on utilise un pouvoir absorbant moyen vis-à-vis du rayonnement émis pour 𝜆0 <3 µm (rayonnement émis par des corps à haute température comme le soleil) et un pouvoir absorbant moyen vis-à-vis du rayonnement émis pour 𝜆0 > 3 µm (rayonnement émis par les corps à faible température : atmosphère, absorbeur solaire,...).

1.3.5. Choix des capteurs

On a vue précédemment que chaque type de capteur correspond à des domaines d’utilisation particulière. Pour caractériser les performances d’un capteur, des essais normalisés (norme : NF EN 12975-2) ont été faits, pour

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établir la représentation graphique de la figure 1.6, en utilisant l’équation (ci-dessous) simplifiée du rendement d’un capteur [19].

𝜂 = B − a1𝑻𝒎−𝑻𝒂

𝒒𝒊𝑨 − a2(𝑻𝒎−𝑻𝒂)𝟐

𝒒𝒊𝑨 (1.11) Tm : Température moyenne de l’absorbeur [°C]

Ta : Température ambiante dans l’environnement du capteur [°C]

A : Surface d’échange global en m2

qi : Irradiation solaire mesurée dans le plan du Capteur [W/m²]

Dans la pratique, le coefficient a2 étant très faible, il est souvent négligé et un capteur solaire est caractérisé par les coefficients :

B : l’ordonnée à l’origine

a1 : la pente de la droite caractérisant le capteur

Ce sont ces deux coefficients qui sont utilisés pour calculer les installations utilisant des capteurs solaires.

Figure 1.6: courbe caractéristique des rendements d’un capteur [19].

1.3.6. Paramètres influents le fonctionnement d’un capteur solaire plan L’efficacité thermique du capteur solaire dépend fortement du matériel, de la forme, des dimensions, de la disposition du capteur et des conditions

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environnantes. Tous ces facteurs peuvent être classés en deux catégories principales :

1.3.6.1 Paramètres externes

Les paramètres externes qui influent sur le fonctionnement des capteurs plans sont :

 Paramètres d’ensoleillement : éclairement, position du soleil, durée d’insolation.

 Température extérieure sèche

 Vitesse du vent sur le capteur

1.3.6.2. Paramètres internes : On distingue :

a. Paramètres géométriques :

 paramètres de position : inclinaison, orientation du capteur.

 La surface du capteur

b. Paramètres de fonctionnement :

 température d’entrée du fluide caloporteur

 le débit du fluide caloporteur

 la température des différentes parties du capteur

1.3.7. Bilan thermique et rendement d’un capteur solaire 1.3.7.1. Bilan thermique

La puissance utile 𝑄𝑈 que l’on peut récupérer d’un capteur solaire est égale à la partie de l’énergie incidente traversant le vitrage moins les déperditions thermiques (proportionnel à l’écart de température) et à la puissance stockée sous forme de chaleur vive dans les différents éléments du capteur.

M.Schwardz et al [14] ont étudié le comportement thermique des capteurs plan. Ils mentionnent qu’ils existent deux approches pour faire le bilan thermique

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d’un capteur plan : le bilan thermique en régime permanent et le bilan thermique en régime dynamique.

 En régime permanent, le flux incident 𝐺𝑛 est pris constant sur des intervalles de temps donnés (une heure par exemple, 𝜕𝑞𝑖

𝜕𝑡 = 0).

 En régime dynamique, le flux incident 𝐺𝑛varie dans le temps ce qui implique 𝐺𝑛 = 𝐺𝑛(𝑡) et nécessite une durée importante d’irradiation du capteur.

L’équation bilan thermique d’un capteur s’écrit de la manière suivante : 𝑄𝐼 = 𝑄𝑃+ 𝑄𝑆 + 𝑄𝑈 (1.12)

𝑄𝐼 : puissance de rayonnement arrivant sur le capteur. (W) 𝑄𝑈 : puissance utile récupérée par le fluide caloporteur

𝑄𝑃 : puissance perdue par convection et conduction à l’arrière du capteur et par conduction, convection et rayonnement à la face avant.

𝑄𝑆 : puissance stockée sous forme de chaleur vive dans les différents éléments du capteur lorsque le régime thermique est variable.

Pour un capteur à inertie thermique négligeable (faible masse des composants, faible chaleur spécifique) on a : QS = 0

𝑇𝑚 : la température moyenne de l’eau (approximée à la moyenne entre les températures d’entrée et de sortir du capteur) (en °C)

𝑇𝑎 : la température ambiante en (°C)

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β : le facteur optique du capteur, qui est le rapport entre l’ensoleillement absorbé par l’absorbeur et l’ensoleillement incident sur le vitrage. Ce facteur optique est le produit du facteur de transmission du vitrage par le coefficient d’absorption de l’absorbeur (𝛽 = 𝜏𝛼)

𝑘: Le coefficient de déperdition thermique (W/m2.K) 1.3.7.2. Intensité du rayonnement dans l’absorbeur

La couverture en verre du panneau solaire n’absorbe ou ne réfléchit que faiblement l’énergie incidente du rayonnement. La part transmise de cette énergie frappe l’absorbeur et elle est alors absorbée dans sa plus grande partie. La relation permettant de quantifier l’énergie de rayonnement transformée en chaleur est :

𝑞𝑎 = 𝜏. 𝛼. 𝑞𝑖 (1.14)

Avec

𝑞𝑎 : Intensité de rayonnement transformée en chaleur dans l’absorbeur par unité de surface et de temps (W/m2)

𝛼 : Facteur d’absorption de l’absorbeur

𝜏 : Facteur de transmission de la couverture en verre

𝑞𝑖 : Intensité lumineuse à irradié sur le panneau solaire (W/m2) 1.3.7.3. Energie utile

L’énergie de rayonnement transformée en chaleur n’est pas disponible en tant qu’énergie utile dans sa totalité. Une partie est perdue en rayonnement thermique, en conduction thermique et en circulation thermique. Une autre partie peut amener une élévation de température de l’absorbeur, c’est-à-dire que cette énergie est accumulée dans le panneau solaire. On obtient donc une énergie utile 𝑞𝑛 par unité de surface et de temps

𝑞𝑛 = 𝑞𝑎 − 𝑞𝑣 − 𝑞𝑠 (1.15) Avec

𝑞𝑣 : L’intensité perdue (J/s.m2) 𝑞𝑠 : L’intensité stockée (J/s.m2)

MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC 16 1.3.7.4. Pertes thermiques

Les pertes thermiques de l’absorbeur sont d’autant plus grandes que sa température est élevée. L’isolation arrière détermine les pertes thermiques par conduction. Par contre, sur la face avant de l’absorbeur, on est en présence de pertes par rayonnement et par convection. Toutes les pertes peuvent être résumées par la formule suivante :

𝑞𝑣 = 𝑘. (𝑇𝑎𝑏 − 𝑇𝑎) (1.16)

Avec

𝑘 : Coefficient de déperdition thermique 𝑇𝑎𝑏 : Température de l’absorbeur

𝑇𝑎 : Température ambiante

1.3.7.5. Rendement d’un capteur solaire

Le rendement d’un panneau solaire est donné par le quotient de l’intensité utile et de l’intensité de rayonnement reçue

𝜂 = 𝑞𝑛

𝑞𝑖 = 𝛼. 𝜏 −𝑘. (𝑇𝑎𝑏 − 𝑇𝑎)

𝑞𝑖 (1.17)

La température de l’absorbeur n’est pas connue, on mesure uniquement les températures d’entrée et de sortie 𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟é𝑒 et 𝑇𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒 de l’eau. L’équation (1.16) ne tient en outre, pas compte du coefficient de transfert thermique entre la paroi de l’absorbeur et l’eau. Pour cette raison, on introduit un facteur de rendement 𝑓 de l’absorbeur :

𝑇𝑚: La température moyenne de l’eau. Elle est définie par

MAMADOU Abdel-farid/Mémoire d’ingénieur/GME-EPAC 17 𝑇𝑚 = 𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟é𝑒+𝑇𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒

2 (1.19)

1.3.8. Autre formule du rendement

La puissance utile 𝑄𝑈 peut être déterminée en régime stationnaire à partir du débit volumique de l’eau ṁ et la différence de température d’entrée et de la sortie.

𝑄𝑈 = 𝐶. ṁ(𝑇𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒 − 𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟é𝑒) (1.20) 𝐶: Chaleur spécifique de l’eau.

L’intensité lumineuse A L’emplacement du panneau solaire étant 𝑞𝑖 (W/m2) et 𝐴 la surface de l’absorbeur nous obtenons la formule du rendement suivant :

𝜂 = 𝑄𝑈

𝑞𝑖. 𝐴 (1.21) 1.4. Performance des capteurs héliothermiques

Il faut noter que plusieurs études ont été faites pour l’amélioration des performances des capteurs plans solaires thermiques. Ces études sont principalement basées sur l’optimisation du fonctionnement des composants du capteur et de ses accessoires (ballon ou réservoir d’eau chaude, débitmètre, pompe de circulation forcée, etc…). Ainsi :

Khalfallaoui S. [20] a porté un intérêt à l’effet de l’orientation des capteurs sous vide il ressort qu’un capteur sous vide aura un rendement de 20%

supérieur à un capteur plan vitré pour produire de l’eau à 120°C. Par contre, il sera moins performant qu’un capteur moquette pour réchauffer l’eau de faible ∆T entre la température moyenne du fluide et la température ambiante dans la période estivale.

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La position apparente du soleil influe sur le rendement de tout dispositif solaire, dont le capteur. Suivant les saisons et au cours de la journée, la position du soleil varie. Elle peut être déterminée par la hauteur et l’azimut (figure 1.7) [14].

Figure1.7 : La course du soleil.

L’écoulement sur un capteur sans la vitre peut être assimilé à un écoulement sur une plaque plane comme indiqué sur la figure 1.8.

Figure1.8: Convection mixte sur une plaque horizontale chauffée.

Sur la figure 1.8 nous remarquons une zone d’attaque de l’air dans son écoulement et une seconde zone turbulente qui commence par un point de rupture.

La convection naturelle ou forcée peut être vérifiée au moyen des équations 1.22 et 1.23 [10].

Si :

𝐺𝑟 ≥ 1100 𝑅𝑒

3

2 Convection naturelle 1.22

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𝐺𝑟 ≤ 11 𝑅𝑒2 Convection forcée 1.23 Ou 𝑅𝑒 représente le nombre de Reynolds

𝑅𝑒 =𝜌𝑣𝑙

𝜇

𝑣 : La vitesse du vent en m/s

L’irradiation solaire à une influence sur le rendement des capteurs plans [24] comme le montre le graphe de la figure 1.9.

Figure 1.9 : Influence sur la courbe de rendement d’une variation de l’intensité lumineuse [24].

Negoitescu A. et Tokar A. [21] ont entrepris la simulation d'un réservoir de stockage solaire en utilisant deux matériaux d'isolation (laine de verre et polyuréthane) à différentes épaisseurs. Les auteurs ont observé qu’une épaisseur d’isolant de 1 à 4 cm permet de réduire considérablement les pertes de chaleur (avec de meilleurs résultats dans le cas du polyuréthane). Au-delà de 4 cm, l’effet d’isolation n’est plus significatif.

Gerard F. J. et Noam L. [22] ont étudié deux systèmes de stockage, l'un étant isolé avec de la laine de verre et l'autre avec de la sciure de bois. Les auteurs ont noté que l'efficacité était quasiment du même ordre de grandeur 61.5 à 65.5% pour le premier cas et 56.8 à 64.5% pour le second type d'isolation.

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B. Hamza [19] conclut Concernant le débit d'injection dans le cas de charge du ballon que d'une part, la dernière couche chauffe d'autant plus vite que le débit d'injection est élevé et d'autre part que le temps d'homogénéisation de la température dans le ballon est d'autant plus court. Ainsi pour un débit d'injection de 0.6 kg/s, le temps que met la dernière couche à chauffer est de l'ordre de 15 mn au lieu de 240 mn pour un débit de 0.02 kg/s.

B. Lakdhar [23] a étudié théoriquement en 2008 L’intervalle du débit qui convient à la température de fonctionnement du capteur. Cet intervalle varie entre 0.05 et 0.1 Kg/sec. Dans le même ouvrage, il prouve que l’adjonction des obstacles (chicanes) dans le parcours offert au fluide caloporteur permet l’augmentation de l’échange thermique avec l’absorbeur.

Enfin il affirme que le vide entre l’absorbeur et la vitre réduit le coefficient global des pertes thermiques et permet une récupération de 70% de l’énergie perdue vers l’environnement.

Dans son manuel de conception et de dimensionnement des (CES), l’ADEME déclare que La réduction des consommations d’énergie par rapport à une installation classique, dépend du climat, du lieu d’implantation des capteurs solaires, du dimensionnement et de la conception du système, ainsi que du choix des composants et de leur maintenance.

La détermination des paramètres du capteur plan non vitré est un problème complexe comparativement au capteur plan vitré qui est un cas simple. En effet lorsque le capteur est vitré l’écoulement (l’air) entre la vitre et l’absorbeur n’est pas perturbé par la vitesse du vent ; du coup l’on ne craint pas des zones de turbulences, car la vitesse du vent entre la vitre et l’absorbeur est pratiquement nul [14].

R. Bernard, G. Menguy, M. Schwartz [4] prouvent que la lame d’épaisseur e’ située entre la vitre et l’absorbeur se comporte comme un isolant vis-à-vis de la transmission par conductibilité ; mais si e’ est trop grand une convection naturelle de l’air intervient, ce qui entraîne des pertes non négligeables par convection.

Ils ont montré aussi qu’un système de circulation forcée a un rendement supérieur à celui d’un système à circulation naturelle ; mais il faudrait

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évidemment tenir compte de l’énergie dépensée par la pompe, énergie très faible pour les débits considérés.

Enfin, Ils soutiennent également que L’emplacement des capteurs joue un rôle important et pour optimiser le fonctionnement d’un capteur, il faut éviter les ombres, les masques et/ou des obstacles empêchant le contact des rayonnements solaires avec le plan des capteurs.

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1.5. Conclusion

Au terme de ce chapitre, nous retiendrons que l’énergie thermique provenant du rayonnement solaire est une énergie propre, abondante, inépuisable et écologique.

Le bilan thermique d’un capteur plan est indispensable et fondamental pour évaluer son efficacité. Deux approches permettent de déterminer le rendement des capteurs plans : il s’agit de la méthode en régime permanent et la méthode en régime quasi-dynamique.

Par ailleurs, il ressort après les analyses et l’auscultation des quelques travaux réalisés par les chercheurs sur les capteurs plans thermiques que les performances de capteurs ont été améliorées.

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CHAPITRE 2: ANALYSE DES INFLUENCES SUR

UN CAPTEUR SOLAIRE PLAN

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2.1. Introduction

Les capteurs plans thermiques sont des systèmes énergétiques qui permettent de produire de la chaleur grâce à l’énergie rayonnée par le soleil. Afin d’étudier l’influence des phénomènes environnementaux sur les performances des capteurs plans nous avions simulé ces phénomènes sur un capteur plan didactique de marque PHYWE. Il est équipé d’un panneau et de ses accessoires et est représentatif d’un capteur plan réel. Le rayonnement solaire a été simulé par une lampe incandescente de puissance variable de 500W et 250W

Les expériences réalisées sont faites au laboratoire d’énergie renouvelable à l’Ecole Polytechnique d’Abomey-calavi. (EPAC).

Quelles est l’ossature de ce matériel didactique? Quelles sont les méthodologies utilisées pour atteindre les résultats escomptés et la théorie d’exploitation des résultats ?

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2.2. Matériels de simulation

Le montage expérimental est réalisé suivant la figure 2.1

Figure 2.1: Montage du dispositif expérimental.

2.2.1. Description du dispositif expérimental

a. Accumulateur et échangeur thermique :

L’accumulateur utilisé est un bécher en verre portant une graduation allant jusqu’à 2 dm3. Il sert de réservoir d’eau. L’échangeur de chaleur utilisé est un échangeur monotube. Il est présenté sous forme d’un serpentin avec 16 spires. Il permet d’échanger de l’énergie thermique entre le fluide caloporteur du circuit du panneau solaire et l’eau se trouvant dans l’accumulateur.

Alimentation

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(a) (b)

Figure 2. 2: (a) Accumulateur d'eau. (b) Echangeur thermique b. Alimentation stabilisée

L’alimentation utilisée est stabilisé en courant et en tension avec possibilité de varier I et U. Elle fournit au maximum 12V de tension continue et 2 Ampères de courant.

Figure 2. 3: Alimentation stabilisée.

c. Pompe et débitmètre

La pompe et le débitmètre utilisés sont montés en bloc de telle sorte que l’eau aspirée par la pompe passe par le débitmètre avant d’entrer dans l’échangeur et ensuite dans le panneau solaire. Le débitmètre porte une graduation allant jusqu’à 0.33dm3/s. La pompe, elle, peut recevoir une tension de 6V au maximum. Pour nos expériences, nous alimenterons notre pompe avec une tension de 4V.

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Figure2.4: Bloc de pompe et débitmètre.

d. Panneau solaire :

Le panneau solaire lui-même est constitué d’un absorbeur, d’un isolant, d’un coffre arrière, d’un profilé latéral et de deux supports sur lequel il repose. Notons également qu’il est muni d’un variateur d’angle pour son positionnement par rapport aux rayons incidents. Dans notre cas, le panneau solaire est disposé perpendiculairement aux rayons incidents de la lampe afin de s’assurer qu’il reçoit le maximum d’irradiation.

(b)

Figure 2.5: Panneau solaire.

e. Acquisiteurs de données et thermocouples

Comme son nom l’indique il sert à recueillir les données (températures) aux différents points de mesures du panneau solaire à l’aide des thermocouples de

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type K qui lui sont reliés. Les températures mesurées sont indiquées en annexe (Annexe 07)

Figure 2. 6: Acquisiteur de données.

2.2.2. Fonctionnement du dispositif expérimental

Pompe

Pour cette expérience, la pompe sera alimentée avec une tension de 4V. Les tuyaux de raccordement des différents composants sont comprimés afin d’évacuer l’air résiduaire du circuit ; le manque d’eau qui en résulte est complété.

Fonctionnement de la lampe

Dans cette expérience, nous utiliserons une lampe halogène de puissance variable. Nous allons considérer les puissances de 500W et 250W (le levier du zoom de la lampe est maintenu parallèle à la face vitrée du capteur solaire plan).

La lampe est placée à une distance de 70cm. A cette distance, les intensités de la lampe sont d’environ 500W/m2, 250W/m2 [1].

Débitmètre

Les différentes séries de mesures sont effectuées aux débits suivants : 0,33dm3/s et 0,0016 dm3/s.

Dispositif de simulation de brouillard

Le brouillard se crée lorsqu’un phénomène de condensation rapide apparaît.

La vapeur d’eau dans l’atmosphère est un phénomène qui s’apparente convenablement au brouillard. Pour l’obtenir, nous avons porté de l’eau distillée contenue dans une casserole hermétiquement fermée à la température d’évaporation. Un tuyau est raccordé à un orifice du couvercle de la casserole afin de conduire la vapeur d’eau entre la lampe et le panneau.

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2.3. Protocole expérimental

2.3.1. Méthodologie

Pour atteindre nos objectifs tant généraux que spécifiques, nous suivrons des étapes d’expériences bien définies. Ainsi il sera question :

- D’irradier avec une puissance de 500W et 250W le panneau solaire sans la couverture en verre aux débits de 0,2dm3/mn et 0,1 dm3/mn ; dans un premier temps sans les éléments de simulation et avec les éléments de simulations (poudre de craie, papier et brouillard) dans un second temps - D’irradier avec les intensités 500W/m2 et 250W/m2 le panneau solaire avec

la couverture en verre aux débits de 0,2dm3/mn et 0,1 dm3/mn; dans un premier temps sans les éléments de simulation et avec les éléments de simulations (poudre de craie, papier et brouillard) dans un second temps

2.3.2. Modes opératoires et expériences réalisées

Pour toutes les expériences, l’échangeur thermique est plongé dans un bécher de deux (2 litres) contenant de l’eau à la température ambiante.

Panneau solaire sans vitrage

Nous avons débarrassé le panneau solaire de la couverture en verre. Les expériences sont faites avec des débits de 0,2dm3/mn ; et 0.1 dm3/mn.

Sans les phénomènes environnementaux

Première série d’expériences

Pour un débit de 0,1dm3/mn, le panneau est soumis à des irradiations de puissances 500W et 250W. Les mesures sont faites pendant une durée d’une heure (1h) pour chaque puissance.

Deuxième série d’expériences

Avec un débit de 0,2dm3/mn, le panneau est soumis à nouveau à des irradiations de puissances 500W et 250W. Les mesures sont faites pendant une durée d’une heure (1h) pour chaque puissance.

Avec les éléments de simulation

Pour toutes les conditions d’expériences, nous utiliserons de la poudre de craie, du papier et de la vapeur pour simuler respectivement la poussière, les feuilles

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d’arbres mortes et tout autre objet et le brouillard. Notons que ces éléments sont disposés de telle sorte qu’ils recouvrent la moitié du panneau solaire.

troisième série d’expériences

Pour un débit de 0,1dm3/mn, le panneau est soumis à des irradiations de puissances 500W et 250W ; et pour chaque puissance nous simulerons la poussière, le brouillard et les feuilles. Les mesures sont faites pendant une durée d’une heure (1h) pour chaque puissance et éléments de simulation.

quatrième série d’expériences

Avec un débit de 0,2dm3/mn, le panneau est également soumis à des irradiations de puissances 500W et 250W ; et pour chaque puissance nous avons simulé la poussière, le brouillard et feuille. Les mesures sont faites pendant une durée d’une heure (1h) de temps pour chaque puissance et éléments de simulation.

Panneau solaire avec vitrage

Nous procéderons de la même manière que précédemment sauf que dans ce cas le panneau solaire est muni de la couverture en verre. Les expériences sont

Nous procéderons de la même manière que précédemment sauf que dans ce cas le panneau solaire est muni de la couverture en verre. Les expériences sont