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Comparatif capteurs partie 1

01/01/1970 0 Comment(s) Simulations et couvertures des besoins,

Aprés de longs essais pour convaincre en vain certains détracteurs des capteurs plans, nous avons enfin trouver une façon simple pour confirmer notre point de vue.

En fait la solution était sous nos yeux mais il fallait le transcrire sous une forme visuelle, ôtant toutes doutes dans la formulation.

En fait tout simplement en se basant sur les valeurs de rendement, il suffit de calculer le rendement instantané des capteurs et ensuite de reprendre ces valeurs pour calculer le temps mis pour l'élévation de température d'un certain volume d'eau. Mais avant de se lancer dans les calculs, il faut ramener les valeurs de rendement sur une surface de référence au m² de la surface brute occupée (on multiplie tous les termes de l'équation de rendement par la surface de référence des valeurs, souvent la surface d'entrée, et on divise tous les termes par la surface brute):

Donc, soit la formulation du rendement instantané que l'on a maintenant l'habitude de voir

η= η0 - a1 x [(Tcapt - Text)/I] - a2 x I x [(Tcapt - Text)/I]²

où :
η est le rendement du capteur
η0 le coefficient de conversion optique du capteur (en %) ;
a1 le coefficient de déperditions thermiques par conduction du capteur (en W/m².K) ;
a2 le coefficient de déperditions thermiques par convection du capteur (en W/m².K²) ;
Tcapt la température moyenne du capteur (en °C) ;
Text la température extérieure (en °C) ;
I l’irradiation solaire (en W/m²).

 


avec ΔT = (Tcapt - Text), l’équation peut être réduite ainsi :

η= η0 - a1 x [ΔT/I] - a2 x I x [ΔT/I]²

maintenant en calculant le rendement nopuis allons rajouter une nouvelle vue à cette formule:

En fait si nous connaissont le rendement à une certaine valeur de ΔT et I alors nous sommes en mesure de calculer aussi la conversion instantane de l'irradiation solaire pour ces mêmes valeurs en puissance (voir les unités, l'évidence était là), et oui en fait la puissance convertie n'est autre que.... le produit η x I

Dire que l'évidence est souvent très difficile à trouver.

Et maintenant la touche finale : La chaleur spécifique de l'eau (1,16 Wh/kg.K) permet de calculer le temps mis pour chauffer n'importe quel volume d'eau avec une puissance connue. Attention cependant, pour la suite nous n'allons considérer que le temps mis dans le capteur pour chauffer un certain volume d'eau SANS PRENDRE EN CONSIDÉRATION LES PERTES ET CONVERSIONS DANS LES ECHANGEURS étant donné que cela sera sensiblement les mêmes valeurs pour une installation donnée. Notre but est de représenter graphiquement le temps mis par les différents capteurs du marché pour chauffer l'eau et leur limites d'utilisation. Nous mettrons à disposition sur demande le tableur utilisé au format OpenOffice dès que nous l'aurons mis dans une forme conviviale (Si quelqu'un est intéressé pour le finaliser merci de nous l'indiquer) .

Nous disions donc que connaissant une puissance, il est facile de calculer le temps mis pour chaque élévation de 1°C d'une certaine quantité d'eau en sachant quil faut une énergie de 1,16 Watt pendant 1 heure pour augmenter de 1°C la température de 1 kg (soit 1 litre d'eau sans compter la différence selon la température, mais ce n'est que pour la démonstration).

donc Δt = 1,16 * V /(η x I)

attention ΔT pour Température et Δt pour le temps en heures

Au final si l'on connait le temps mis pour chaque degré il suffit de cumuler ces durées obtenus pour tracer les courbes que nous mettons à disposition.
Attention tout de même: Les courbes ne sont donnés que sur la base de : Pas de puisage - pas de perte ce qui n'est jamais le cas. Il s'agit uniquement d'une représentation graphique d'une équivalence de formulation des valeurs de rendement sur une base horaire.

Remarque importante:

Les capteurs solaires à tubes que nous avons sélectionnés dans les graphiques sont largement diffusés sur internet sans communication des valeurs de rendements, Il est essentiel de connaître les coefficients de rendements normalisées si l'on veut connaître le retour sur investissement. Il est remarquable de voir des capteurs à tubes avec des designs tellement proche (d'ailleurs c'est la même remarque pour les capteurs plans aussi) mais des caractéristiques tellement différentes que nous avons pris 2 capteurs 58/1800 (ou 1800/58) parmis plusieurs qui reflètent exactement cette situation.

Il est prudent et conseillé de se fier uniquement à des rapports valides émanant des organismes certificateurs européens (SPF, CSTB, ou DINCertco), pour lesquels les normes de tests sont scrupuleusement suivies. Ayant déjà eu l'occasion de rencontrer un document commerciale qui affichait 2 séries de coefficients de rendement tellement contradictoires émanant pour l'une de la certification Solarkeymak (valeurs d'un capteur médiocre) et d'un organisme du pays d'origine ( LE CAPTEUR par excellence).

Vous pouvez accéder aux récapitulatifs des certifications Solarkeymar sur le site solarkey.dk de l'Estif sur le lien :

http://solarkey.dk/solarkeymarkdata/qCollectorCertificates/ShowQCollectorCertificatesTable.aspx

Pour ne pas laisser de doutes les tables de calculs seront mise à disposition sur simple demande, vous pourrez rajouter votre propre sélection de capteurs pour un comparatif et ajustements des plages de valeurs pour une meilleure lisibilité.

Attention, pour un comparatif équitable, retranscrire les coefficient de rendement η0 ,a1 et a2 à une surface commune à tous les capteurs : la surface brute ou hors tout, il suffit de multiplier chaque coefficient par la surface de référence (superficie d'entrée ou d'absorbeur) et de diviser par la surface brute ou hors tout

Voici ce que nous obtenons pour les Capteurs Bluestar comparativement au Marvel et Wunder CLS, ainsi que 3 capteurs sous vide du marché:

 

Sur le schéma ci dessous, notre réflexion se porte sur le rendement des panneaux tel que défini par le test de rendement, c'est à dire par rapport à la différence de température ΔT = Tcapt-Text.

Toute la réflexion se portera sur ces valeurs, mais il sera possible de deviner comment retrouver les valeurs qui nous intéressent en se basant sur le différentiel d'enclenchement de la pompe solaire (Tcapt-Tréf), avec Tréf la température du stockage à la hauteur du serpentin d'échange du circuit solaire.

Pour nos comparatifs nous avons pris comme base le chauffage de :
50 litres d'eau dans les capteurs par m² de surface brute de capteurs.
Dans la réalité, il s'agit de chauffer un liquide caloporteur qui va ensuite déverser son énergie dans un ballon de stockage ou une piscine

 

Schéma explicatif
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Les différentes courbes montrent aussi bien la limite des capteurs solaires en hiver, mais aussi le mensonge sur les caractéristiques de bon nombre de capteurs sous vide chinois que l'on retrouve sur le marché européen (et français malheureusement) à "diverses sauces".

Pour bien montrer les différences de rendement nous avons sélectionnés 2 capteurs qui se ressemblent beaucoup en termes de conception et de dénomination: des tubes 58/1800 (il y en a d'autres encore) et un capteur connu pour avoir été proposé en groupement d'achat sur un forum.

Il y a d'autres capteurs sous vide qui sont certes meilleurs, mais le but est de mettre en valeur les énormes profits générés par la vente de produits de mauvais rendement par certains confrères sur le principe du "capteur sous vide = meilleur".

Pour répondre aussi à des remarques du type " Oui mais, moi je souhaite monter au maximum la température de mon stockage en hiver, et seul les capteurs sous vide..." voici deux simulations où l'on ne chauffe que 10 litres par m² de capteurs:

 

  Ensoleillement 200 W/m²
Volume d'eau 10 litres
Comparatif avec un ensoleillement de 200 W/m²
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Ensoleillement 500 W/m²
Volume d'eau 10 litres
Comparatif avec un ensoleillement de 500 W/m²
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  Comparatif avec capteur sous vides
  Ensoleillement 200 W/m²
Volume d'eau 50 litres
Comparatif avec un ensoleillement de 200 W/m²
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  Ensoleillement 500 W/m²
Volume d'eau 50 litres
Comparatif avec un ensoleillement de 400 W/m²
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  Ensoleillement 800 W/m²
Volume d'eau 50 litres
Comparatif avec un ensoleillement de 800 W/m²
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  Ensoleillement 1000 W/m²
Volume d'eau 50 litres
Comparatif avec un ensoleillement de 1000 W/m²
Cliquez pour agrandir
   

 

Lecture des informations sur les graphiques :
Voir l'image ci dessous :



En prenant comme supposition d'un stockage à 30°C, et une température extérieur à10°C avec un ensoleillement de 800 W/m²,

en prenant comme base que la pompe solaire démarre par exemple à Tstock +9°C et s'arrête à +3°C soit une moyenne de +6°C:

Tcapteur=30 +6 = 36°C (en moyenne)
Test=10°C
DT =36-10 =26°C

On peut lire que pour DT = 26°C il faudra environ 7,5 minutes pour augmenter le volume de 50 litres d'eau de 1° C et environ 12 minutes pour le TZ 58 et plus de 15 minutes !!! pour les deux autres capteurs.

Pour 500W/m² le capteur Bluestar restre en tête jusqu'à un DT de 65° et c'est le TZ58 qui passe premier dans cette configuration après DT65°




Il est possible de tracer facilement ces courbes avec l'outils mis à disposition sur le lien :

http://maden.fr/pChart2.1.3/examples/sandbox/

Pour une comparaison correcte il faut néanmoins savoir aussi que les capteurs sous vides présentent un avantage selon les angles d'incidences, ce qui leur permet de rattraper l'écart quand l'angle des rayons solaires s'éloignent de la perpendiculaire au plan du capteur. Ces série de courbes ne sont que la transcription des courbes normalisées sur un plan de durée au lieu de puissance. Il s'agit de la conversion de l'énergie arrivant sur la surface d'absorption sans prise en compte de l'angle d'arrivée.

Une deuxième partie est là pour expliquer ce phénomène.