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TRANSFORMA
n
ON D
E
L'ÉNE
RGIE
SOLAIRE
EN CHALEU
R
1. -
GÉ
NÉRALITÉS
L'énergie solaireest inép uisa ble,gra tuiteet propre,c'est un bienina liéna ble,naturellem ent distribué et libre de tou t territoire. De plus on peut tran sforme r l'énergie du rayonnemen t solaire partout rendant les nécessités de concentration géogra phiq uecaduques.contrairement aux énergies extraitesde sources fo ssiles ou directement de la matière(énergie de fission ou fusion nucléaire). 11s'agit icideca pter une énergie quide toute façon arrive sur terre avant que celle-ci ne l'absorbe et de la restitu er sur place .
Laquantité d'én ergiesolaire reçue à la surface dela terre variede0à 1,5 caloriesparcm- et par minute: sup posonsune moyennede 1 cal/cm2/mo. Un mètre carré reçoit 1(}4 caloriesparminute,soit en unejournée (moyenne de 500 mn) : 5.10' calories ou 7 kWh.
Avec un rendeme nt de 10%:0,7 kWh.
Lacon sommat io n moyenne d'éne rgie par habitant de pays riches (tout compris, tran sport,ind ustrie, etc...) est de 24 kWh par jour. D'où un collecteur d'environ 35 m' par habi tant (ceci est une moyenne).
Il
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L'EFFET SERRE
L'effet serre consiste à «piéger»l'énergie appo rtée par le ray o nnement solaire. Pour cela on place a u-dessus ducorpscha ufféun mat ériau qui esttransparentà laplusgrande pa rtie des radiations so lai res et op a-que à laplus gra nde partiedes radiations thermiquesémises par le corpsens'éc ha uffa nt(ra diations infra-r ou-ges I.R.).
Parexemple, le verre est tra nsparentaux radi a tionsdu spectre visible ainsiqu'aux I.R.de faibles l on-gueurs d'ondes (proches I.R.) etopaque aux I.R.de gra ndes longueursd'ond esémisespar le rayonne ment thermiq ue.
Lachaleu rs'accumuledonc ent rele récepte ur(radiateur) et le verre. L'effetserreest le principe de tous lescollecteu rs plans. SOLEIL SO LEI L
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D i l O oFig. 1~ Les rayons traversent le verreelsont ahsorbés : le sols'écha uffe.
Fig. 2 - Le sol échauffé ra yonne: les radia-tionsdeplusgran de lon gueurd'onde sont« pié-gées».
III
. -
P
ROPRIÉTÉS D
ES MATÉRIA
UX
111.1) Absorptivité: L'absorptivité d'une su rfaceest lerapportentre l'énergiequ'ellereçoit(énergie in ciden-te E) et l'éne rgie qu'elleabsorbe (e) pou r un ra yo nne ment perpend iculaire à cette surface.
Po ur une radi at ion de lon gueu r d'onde
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Pour un cor ps noir, ona quel que so itÀ
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0/.,
= 1Certai ns corps ont un coefficient d'absorption consta nt quel que soit Exemples : La suie, le charbon .. ... .... . 0,95
La maçonnerie ... ... • . ... . ... 0,93 Peintures brillantes, émail 0.80 à 0,90 La fonte mo ulée.... .... ... .. ... ... 0,80
E-o).:
érnissivité du corps noir à la température donnée.n
a été montré quoi.>'croit aveclapuissance quatrième dela température absol ue.llI.2) Émi!l5ivité: L'émissivitéd'un corps noir (c)à une température donnée est l'énergie rayonnée àcelte température par unité de temps et de surface. L'émissivité
E.
s'exprime encJ(ea l{h{m'~À
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Je.l.l
La connaissance du coefficient derayonnement qui s'exprimeen kcal/h/m,/ok' permet de déterminer l'énergie rayonn ée.parune surface.
Exemples (en Kcal/h/m'/ok') :
- corps noir fonte brute - verre - bois - sable - eau glace terre lai ton argent 5x 10-'
(
6
x 10-' 4,4x 10" 3,8'x 10" 3,7x
10" 3,2x
10"s.t
sio
1,8 x 10" 1,OxlO-' 0,15x 10.8 -ar~e n t - CUIvre - fORIe1m' de tôle noircie au noir de fumée et chauffé à 77°
e
rayonne par heure: 5x 10" x(77+
273)' ~750 Kcal.II].3) Conductibilité: C'es t la capacité d'un matériauà sefa ire traverser par la chaleur <en Kcal/m /h/°C). Elle est prop orti onn elleà la densité du mat ériau.
Exemples (à l'état sec et à 200
e,
en Kcal/m/h/°C) pour 1 m'357 332
4
8
- sable - béton s - ve rre - eau .: sapin -llbragglos - liège - cano ns - amiante - briques - lai ne de ve rre - polystyrène - air immobile0,20 0,30 à 0,90 1,00 0,50 0,05 à 0,10 0,04 à0,09 0,03 à 0,06 0,12 0,04 à 0,20 0,20 à 0,40 0,04 0,03 à 0,05 0,020
II].4) RéOexivité : C'est la capac ité d'un matériau de réfléchir les rayonnements qu'il reçoit.
On la mesure en faisant le rapp ort des rayon s réfléchis aux rayons incidents (donnée en %) pourLn
rayonnement perpendiculaire à lasurface du matériau.
La réflexivit édépend de la longueur d'onde.
Un corpsestd'auta nt plus «radiateur»qu'il a:
- une grande émissivité~
- une grandeabsorptivité.
Un corps estd'autant plus «accumulateur»qu'il a:
- une grande absorptivité; - une grande capacité thermique;
- une faible érnissivité;
- une fa ibleréflexi vité.
Un corps estd'autant plus isolant qu'il a:
- une faible conductivité;
- une faible absorpti vité;
- une faible émissivité;
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IV.I ) Maquette 1 Boite en bois2 Isolatio n (polystyrène, p olyuré-thane, laine de verre)
3 Couvercle (verre. films plast iques)
4 Surface réfléchissante (feuille Alu
-minium)
5 ~~ Radiateur1): surface noire ou
corps sélectif chaud.
Dimensions (purement indicatives) Epaisseur bois: 1cm
Epa isseur isolation: 7 cm
Epaisseurverre: minimum
Dimensions couvercle: par ex.
0,5x l,am.
PRINCIPE D' UN CO LLEC TE R PLAN EN COUPE (F ig.3)
La cha leur prod uite par lerad iateur est transmise à un fluide permett ant le transfertet l'accum ula tion
de la chaleur récupérée.
IV.2) Amélio ra tions.
• Limiter l'écha uffement du verre.do nc sa radia tio nversl'extérieurenchoisissan tdu Pyrex ou duverre de silice plus rénechissant aux rayo ns thermiques.
• Les filmsde mylar ou de tédla r ont des qualités de transparenceremarqua bless'ils sont métall isés sous
vide.
• Double paroide verre mince:attention aux verres dont la tran cheest verte:ilscontiennent du fer qui absorbe le rayonnement solaire.
IV.3) Chauffage de l'eau.
1 Boite en bo is
2 Isolat ion 3 Couve rcle
4 Surface réfléc hissante
5 Rad ia teur à ailettes (no ires)
6 Circulatio n du fluide calo ri po rte ur
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Variation:Le radiateur peut être constitué detôle
onduléegalvanisée (po ur toit ure), dan s
laquelle on force une tuyauterie
(contact assuré par la poudre de cui
-vre).
Une feuille de cuivre ond ulée don ne des résultats enco re meilleurs.
PRINCIPE D'UN COL LECTEUR DE CHAUF FAGE D'E AU EN COU P E (Fig. 4)
Tous ces systèmes permette ntd'obtenirde l'eauà une températurevoisine du point d'ébullition.
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IV.4) Exemple d'applicati on (Fig. 5)
EXEMPLE D'APPLICATION DOMESTIQUE (Fig.5)
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lNTÉRET P
ÉD AGOGIQ
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Ilréside dansla conception, la fabrication et l'étu de d'un système très simple da ns son principe .
Laconception d'un collecteur plan permet:
a) l'utilisati on d' un dessin techniqueet du schéma; .
b) letra vail pargroupesd'élèves avecconfrontation des solutions qui dans ce cas sont trèsn om-breuses (formes etdimensio nsducollecteur,matériauxà utiliser,possibilités diversespour le fluide calori porte ur).
La fabrication d'un collecteur plan
a) met en contact direct les élèves avec les matériaux (peu onéreux en général).
L'étu de d'un collecteur plan; quelques suggestions : a) va riation de la températ ure du fluide caloriporte ur:
- en fonction des heures de la jour née; - en fonction de l'inclinaison du collecteur;
b) mesure du temps pou r arriver à un état d'équ ilibredu collecteur ;
c) transfo rma tio n d'énergiecalorifique enénergie mécanique:héliceà airchaud montée sur le collecteur.
De plus, ce système permettrait de do nner à l'élèvedes notionsde physiqu e:
- en optiq ue: - prop agati on rect iligne de la lumiére
-corps noir.... etc. - en therm odynamiq ue: - température,
- chaleur...etc .
- eD mécanique: - dilatati on des mat ériau x,
- énergie, etc.
NOTA : Une suite expérime nta le et pédagogique sera pu bliée ultérieure ment. FAERBER Richard C.E.5. ELSAU -STRAS BOUR G
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pour le travail en groupe de 2
à
4 élèves,il favorise le goût de l'expérimentation en
développant:
la créativité,
le sens de l'organisation et du concret,
car il correspond
à
une schématisation envolume du système étudié.
