energies renouvelables et efficacité énergétique
TRANSCRIPT
Etude et dimensionnement d’une installation
solaire thermique pour eau chaude sanitaire d’une
collectivité.
Réaliser par : Encadré par :
Energies renouvelables et efficacité énergétique
-BOUALAM Zaineb - Mme. EL HOUCIMI Rajae : encadrant industriel
- Mr. BOUMHAOUT Mustapha : encadrant universitaire
Soutenu le 2/06/2021 devant la commission d’examen :
Mr. MARKAZI RACHID Enseignant-Chercheur, EST Guelmim Examinateur
Mr. KRIRIM Enseignant-Chercheur, EST Guelmim Examinateur
Période de stage du 5 Avril 2021 au 31 Mai 2021
1
Remerciement
EN PRÉAMBULE à CE TRAVAIL, JE TIENS à ADRESSER MES SINCèRES
REMERCIEMENTS à MLLE .EL HOUCIMI RAJAE POUR SON ACCUEIL ET LA CONFIANCE
S’IL M’ACCORDÉE DÉS MON ARRIVÉE DANS L’AGENCE, ET POUR L’ÉQUIPE DE LA
SOCIÉTÉ ENERGYTECH POUR M’AVOIR INTÉGRÉ RAPIDEMENT AU SEIN DE
L’ENTREPRISE ET M’AVOIR ACCORDÉ TOUTE LEURS CONFIANCES, POUR LE TEMPS
QU’ILS M’ONT CONSACRÉ TOUT AU LONG DE CETTE PÉRIODE, SACHANT RÉPONDRE à
TOUTES MES INTERROGATIONS.
MES PREMIERS REMERCIEMENTS à ALLAH LE TOUT PUISSANT, QUI A GUIDÉ MES PAS
DEPUIS L’AUBE DE MA VIE.
JE REMERCIE AUSSI LES MEMBRES DE JURY, MR MARKAZI RACHID ET MR.KRIRIM
PROFESSEURS à L’ÉCOLE SUPÉRIEURE DE TECHNOLOGIE DE GUELMIM D’AVOIR
ACCEPTÉ D’ÉLABORER ET JUGER CE TRAVAIL.
J’EXPRIME MA PROFONDE GRATITUDE ÉGALEMENT à TOUS MES PROFESSEURS D’ESTG,
POUR LEURS EFFORTS FOURNIS ET LA QUALITÉ D’ENSEIGNEMEN
2
Introduction
Dans le cadre de notre formation à l’Ecole Supérieur de Technologie, j’ai effectué un stage durant
deux mois ( ../04/2021 au ../05/2021)au sein de La société ENERGYTECH situé à Agadir .
Dans ce rapport je vais parler de Etude et dimensionnement d’une installation solaire thermique
pour eau chaude sanitaire d’une collectivité .
Le premier chapitre est consacré à une présentation générale sur la société ENERGYTECH de ses
activités et ses produits.
Le deuxième chapitre est consacré à une étudesur géneralités sur les systéme photovoltaïque et
chauffe-eau solaire .
Dans le troisième chapitre, je présenterai Dimensionnement d’une installation solaire thermique
pour eau chaude sanitaire d’une collectivité.
Ce rapport permettra donc de découvrir d’une façon globale de la société ENERGYTECH .
3
Sommaire :
REMERCIEMENT
Liste des figures ........................................................................... 7
Liste des tableaux .......................................................................... 9
Introoduction.................................................................................... 10
Chapitre 1 : presentation de la société Energytech .......................... 12
I. Présentation de la société Energytech ............................ 13
II. Service études ................................................................... 13
III. Fich technique de la société Energytech .......................... 14
Chapitre 2:géneralités sur les systéme photovoltaïque et chauffe-eau solaire ..... 16
I. Le systeme photovoltaïque .................................................. 17
Introduction ....................................................................... 17
1. La cellule photovoltaïque .............................................. 17
2. Conversion photovoltaïque ........................................... 18
A) Semi-conducteur .........................................................18
B) Le dopage de semi-conducteur.................................... 19
i. Dopage de type N..................................................... 19
ii. Dopage de type P .................................................... 19
C) La Jonction PN .......................................................... 20
D) Effet photovoltaïque ................................................. 20
E) Principe de fonctionnement ..................................... 21
F) Les types des cellules photovoltaïques.................... 22
i. Cellule en silicium monocristallin ........................... 22
ii. Cellule en poly-cristallin .......................................... 23
iii. Cellule amorphe ..................................................... 23
4
G) Module photovoltaïque ............................................ 24
H) Système a énergie photovoltaïque ......................... 26
i. Système photovoltaïque d’alimentation électrique ... 26
ii. Système P.V raccordé au réseau ................................ 27
II. Le chauffe-eau solaire ............................................................. 27
Introduction ............................................................................. 27
1. Les Capteurs solaires .........................................28
A) Les Capteurs plans .................................... 28
B) Les capteurs sous vide ou tubulaires ................................... 28
2. Chauffe-eau solire individuel ................................................ 30
A ) Chauffe-eau solaire à élément séparés .......................... 31
i . à convection naturelle ( en thermosiphon ) ............... 31
ii . à convection forcée .................................................... 32
3. Chauffes eau Solaire Collectifs ................................................. 33
A) Les acteurs principaux pour les installations solaires collectives…33
B ) les etapes de dimensionnement de chauffe-eau solaire collectif. 35
III. Fonctionnement général d’une installation .............................. 35
1 . Le captage ........................................................... 36
2 . Le transfert de l’énergie et le stockage ............. 40
A ) Le stockage ................................................................... 40
B ) Les échangeurs de chaleur ................................................. 41
3 . Fonctionnement d’un appoint .............................. 41
4 . Schéma bilan d’une installation en général ........... 42
Chapitre 3 : dimensionnement d’une installation solaire thermique pour eau chaude sanitaire d’une
collectivité… ............................................................................................. 43
I. dimensionnement d’une centrale solaire photovoltaïque ............. 44
5
1. Estimation de l’énergie à produire ....................................................... 44
2 . l’emplacement et la situation géographique ................................ 44
3 . Estimation de la puissance crête du générateur photovoltaïque ............ 46
4 . Estimation de nombre des panneaux ....................................................... 46
5. dimensiennement et choix de l’onduleur.................................................. 46
6. Simulation de la production mensuelle de l’installation à l’aide du logiciel PVgis… ..... 47
7. Estimation budgétaire de la centrale ....................................................................... 47
II. dimensionnement d’une installation de chauffe-eau collectif ............................... 48
1) Estimer la superficie des plaques solaires nécessaires pour chauffer de l’eau ........... 48
2) Dimensionnement de l’échangeur de chaleur ...................................................... 50
3) Dimensionnement de la pompe de circulation et la vase d’expansion .................... 50
4) Estimation budgétaire de l’installation ..................................................................... 51
Conclusion ...................................................................................................................... 53
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Liste des figures
Figure 1: Organigramme de la société ENERGYTECH
Figure 2: Domaine d'intervention de la société ENERGYTECH
Figure 3 : structure basique d’une cellule solaire.
Figure 4 : le semi-conducteur (silicium).
Figure 5 : dopage de semi-conducteur de type n.
Figure 6 : dopage de semi-conducteur de type p
Figure 7 : La jonction p-n
Figure 8 : l`effet photovoltaïque.
Figure 9 : le principe de fonctionnement d`une cellule PV
Figure 10: Cellule photovoltaïque monocristalline.
Figure 11 : Cellule photovoltaïque poly-cristallin.
Figure12 : Cellule photovoltaïque amorphe.
Figure 13 : Module photovoltaïque.
Figure 14 : Câblage des cellules dans un module.
Figure 15 : Panneau photovoltaïque.
Figure 16 : Système photovoltaïque autonome.
Figure 17 : Système hybride solaire / éolien.
Figure 18: Système photovoltaïque raccordé au réseau.
Figure 19 : catégories des CES .
Figure 20 :les composants de capteur solaire.
Figure 21 : capteur sous vide .
Figure 22 : les positions des capteurs.
Figure 23 : types des capteurs .
7
Figure 24 : chauffe-eau solaire individuel .
Figure 25 : chauffe-eau thermosiphon à éléments séparés à convection naturelle.
Figure 26 : chauffe-eau solaire à éléments séparés à convection forcée.
Figure 27 : Production centralisée et distribution directe.
Figure 28 : Production centralisée et distribution par boucle de circulation.
Figure 29 : Appoint décentralisé avec distribution par boucle .
Figure 30 : les etapes de dimensionnement
Figure 31 : l’installation de production d’eau chaude sanitaire .
Figure 32 : coupe d’un captur solaire plan .
Figure 33 : les variations du rendement instantané en fonction de la température réduite pour
plusieurs types de capteurs.
Figure 34: rendement global d’un capteur solaire .
Figure 35 : schéma bilan d’installation en général .
Figure 36 : location de dakhla dans map RETScreen .
Figure 37 : météo menuselle PVSyst .
Figure 38 : données climatique RETScreen .
Figure 39 : orientation PVSyst .
Figure 40 : données climatique RETScreen .
Figure 41 : principe de fonctionnement d’onduleur
Figure 42 : production énergitique mensuelle .
Figure 43 :relation de efficacité solaire
Figure 44 : relation de couverture solaire .
Figure 45 : pressure loss en fonction de volume flow .
8
Liste des tableaux
Tableau 1: Fiche technique de la société ENERGYTECH .
Tableau 2 : budgé de installation de centrale photovoltaïques.
Tableau 3 : budgé de installation chauffe –eau solaire collectif .
9
Introduction :
La production d’énergie est un défi de grande importance pour les années à venir
effet, les besoins énergétique des sociétés industrialisées ne cessent d’augmenter. Par ailleurs,
les pays en voie de développement auront besoin plus en plus d’énergie pour mener à bien
leur développement, un grande partie de la production mondiale d’énergie est assuré à partir
de source fossile.
La consommation mondiale d’électricité observée durant ces dernières décennies est
fortement liée au développement de l’industrie, du transport et des moyens de
communications. De nos jours, une grande partie de la production électrique est produite à
partir de ressources non renouvelables comme le charbon, le gaz naturel, le pétrole et
l’uranium. Leur vitesse de régénération est extrêmement lente à l’échelle humaine. Ce qui
entrainera à plus ou moins courte échéance un risque non nul d’épuisement de ces ressources.
D’autant plus que la demande ne cesse de croître et dès à présent à être supérieure à
l’offre, se traduisant par exemple par une forte fluctuation du prix mondial du pétrole.
On distingue plusieurs types de sources d’énergies renouvelables: l’énergie
hydroélectrique, l’énergie géothermique, l’énergie éolienne, l’énergie de la biomasse et
l’énergie photovoltaïque, Aujourd’hui, les énergies renouvelables deviennent progressivement
des énergies à part entière, rivalisant avec des énergies fossiles du point de vue coût et
performance de production. Cependant, leur système de conversion de l’énergie en électricité
souffre souvent d’un manque d’optimisation qui en fait encore des systèmes trop chers, et
présentant des déficiences importantes en rendement et en fiabilité. Pour cela, bien qu’il existe
de plus en plus de travaux de recherches prouvant la viabilité de sources comme, par exemple,
l’énergie photovoltaïque (PV) ou l’énergie éolienne, beaucoup de réticentes existent encore
10
pour installer ces systèmes à grande échelle, autant en production de masse que chez des
particuliers.
Bien que l’énergie photovoltaïque soit connue depuis de nombreuses années comme
source pouvant produire de l’énergie électrique allant de quelques milliwatts au mégawatt, il
est solution attrayante comme remplacement ou complément des sources conventionnelles
d'approvisionnement en électricité en raison de ses nombreux avantages :
- la production de cette électricité renouvelable n'émet pas de gaz à effet de serre, il faut
cependant réduire l’impact environnemental de la fabrication du système.
- la lumière du soleil étant disponible partout et quasi-inépuisable, l'énergie photovoltaïque
est exploitable aussi bien en montagne, dans un village isolé que dans le centre d'une grande
ville, et aussi bien au sud que dans le nord.
- l'électricité photovoltaïque peut être produite au plus près de son lieu de consommation, de
manière décentralisée, directement chez l'utilisateur, ce qui la rend accessible à une grande
partie de la population mondiale
11
12
I . Présentation de la société ENERGYTECH
La société ENERGYTECH a été fondée le 19/05/2014, résultat de l’union entre trois
associés dans des différents domaines liés au bâtiment et d’une véritable passion pour la
fourniture, l’étude, la conception et la réalisation des installations des systèmes énergétiques.
Leurs savoir-faire et leurs compétences reposent sur les compétences de ses équipes que ça soit
dans d’études, ou sur terrain. Des personnels expérimentés, sérieux et motivés sont la clé de
réussite de chaque société.
Leur philosophie est de Réaliser des prestations de qualité dans une recherche constante de la
satisfaction du client.
La figure ci-dessous représente l‘organigramme de la société ENERGYTECH
Figure 1: Organigramme de la société ENERGYTECH
II. Service études :
La société ENERGYTECH dispose d’un bureau d’études interne ou j’ai passé ma
période de stage. Il prend en charge la réalisation des études techniques aux différents stades
d’avancement des projets, des devis estimatif et quantitatif, la reprographie des documents
13
ventilation et
traitment d'air
chauffage pompage et
énergies renouvlables
électricité et automartisme
techniques, la veille technologique. Ce bureau d’étude apporte une assistance technique aux
conducteurs des travaux, et à la maîtrise d’œuvre désignée par le client.
Le Bureau d’Études a aussi la responsabilité de proposer des solutions (figure 2) efficace
dans tous les domaines d’intervention.
Figure 2: Domaine d'intervention de la société ENERGYTECH
La société ENERGYTECH collabore avec les marques de fabrication et distribution des
matériels, pour répondre aux besoins de leurs clients que ça soit au niveau de climatisation, froid,
chauffage et ventilation ou au niveau d’électricité et plomberie
III. Fiche technique de la société ENERGYTECH :
Le tableau Ci-dessous représente la fiche technique de la société ENERGYTECH :
solutions energytech
froid et climatisation
14
Nom de la sté Sté ENERGYTECH
Activité Fourniture, Etude, Conception, et Réalisation de climatisation, Ventilation, Froid, Electricité et Solaire
Directeur générale EL BOURKI HICHAM
Date de création 19/05/2014
Adresse N°01 Block C Assaka-AGADIR
Capitale 100.000 DHs
TeL 0528262222
GSM +212661381531
E-mail [email protected]
Forme juridique S.A.R.L
Effectif de 5 à 10 salariés
N°RC 27545
ICE 000076761000052
IF 76148153
Patente
48757548
Taille
PME
DATE de création 2014
Logo
Tableau 1: Fiche technique de la société ENERGYTECH .
15
16
I. Le systeme photovoltaïque :
Introduction :
L’effet photovoltaïque a été découvert par le physicien français A. Becquerel en 1839. Le mot «
photovoltaïque » vient du mot « photo » (du grec « phos » qui signifie « lumière ») et du mot «
Volt » (patronyme du physicien Alessandro Volta qui a contribué de manière très importante à la
recherche en électricité).
Le développement des cellules solaires a suivi les progrès de l’industrie des semiconducteurs, en
particulier ceux de l’industrie du silicium qui constitue le principal matériau à partir duquel sont
fabriquées les cellules. Les premières cellules ont été conçues pour permettre une alimentation
électrique fonctionnant plusieurs années sur les satellites. De grandes sociétés de l’électronique
se sont au début intéressées à cette technologie pour alimenter des sites isolés (mesures,
télécommunications, balises…) avant que les successifs chocs pétroliers relancent leur intérêt
dans les années soixante-dix. A partir de cette période, des sociétés spécialisées dans ce domaine
se sont créées, tout d’abord aux USA, ensuite au Japon et en Europe.
La technologie des cellules au silicium est maintenant bien maîtrisée et les nouveaux
développements se concentrent sur l’amélioration du rendement et l’abaissement des coûts de
fabrication. En parallèle avec ces produits existants, de nouvelles cellules, utilisant des
phénomènes proches de la photosynthèse, pourraient apparaître sur le marché dans la prochaine
décennie si les développements prometteurs obtenus en laboratoire se concrétisent par des
produits industriels
1. La cellule photovoltaïque :
La cellule photovoltaïque ou encore photopile est le plus petit élément d’une installation
photovoltaïque. Elle est composée de matériaux semi-conducteurs et transforme directement
l’énergie lumineuse en énergie électrique.
Les cellules photovoltaïques sont constituées :
✓ D’une fine couche semi-conductrice (matériau possédant une bande interdite, qui joue le
rôle de barrière d’énergie que les électrons ne peuvent pas franchir sans excitation extérieure,
et dont il est possible de faire varier les propriétés électriques) tel que le silicium, qui est un
matériau présentant une conductivité relativement bonne.
✓ D’une couche antireflet permettant une pénétration maximale des rayons solaires.
✓ D’une grille conductrice sur le dessus ou cathode et d’un métal conducteur sur le dessous ou
anode.
Les plus récentes possèdent même une nouvelle combinaison de multicouches réfléchissantes
juste en dessous de semi-conducteur, permettant à la lumière de rebondir plus longtemps dans
17
celui-ci pour améliorer le rendement.
Figure 3 : structure basique d’une cellule solaire.
Une cellule photovoltaïque est basée sur le phénomène physique appelé effet photovoltaïque qui
consiste à établir une force électromotrice lorsque la surface de cette cellule est exposée à la
lumière. La tension générée peut varier entre 0.3V et 0.7 V en fonction du matériau utilisé et de
sa disposition ainsi que de la température et du vieillissement de la cellule.
2. Conversion photovoltaïque :
A) Semi-conducteur :
Les matériaux semi-conducteurs sont des corps dont la résistivité électrique est intermédiaire
entre celle des conducteurs et celle des isolants. Les quatre électrons de valence du silicium
permettent de former quatre liaisons covalentes avec un atome voisin. Dans ce cas, tous les
électrons sont utilisés et aucun n’est disponible pour créer un courant électrique.
Figure 4 : le semi-conducteur (silicium).
18
B) Le dopage de semi-conducteur :
Pour augmenter la conductivité des semi-conducteurs on y introduit des impuretés. Ce
procédé est appelé dopage.
i. Dopage de type N :
On remplace un atome de silicium par un atone pentavalent (phosphore p). Quatre
d’entre eux assurent les liaisons avec les atomes voisins de silicium et le cinquième reste
disponible, il sera excité vers la bande de conduction très facilement par l’agitation thermique.
D’où le nombre d’électron libre qui va fortement augmenter : dans ce cas le nombre de trou
est très inférieur au nombre d’électron libre. On obtient ainsi un cristal dopé N (négatif).
Figure 5 : dopage de semi-conducteur de type n.
ii. Dopage de type P :
De la même façon on introduit des atomes trivalents, ses trois électrons vont assurer les
liaisons covalentes avec trois atomes voisins mais laisser un trou au quatrième. Ce trou se
déplace de proche en proche dans le cristal pour créer un courant.
Ici le nombre de trous est très supérieur au nombre d’électrons libres du cristal intrinsèque,
on obtient donc un cristal dopé P (positif), les impuretés utilisées sont souvent du Bore B.
19
Figure 6 : dopage de semi-conducteur de type p.
C) La Jonction PN :
Une jonction PN est l’accolement d’une région dopé P et d’une région dopée N. Lors de
cet assemblage les porteurs de charges libres s’attirent et se recombinent dans la zone de
jonction où les porteurs libres disparaissent : c’est la zone de transition. Il ne reste donc plus
que les ions dans cette zone qui vont créer un champ électrique interne au niveau de la
jonction et qui empêche les charges libres restantes dans chaque zone de traverser la jonction
pour se recombiner.
Figure 7 : La jonction p-n.
D) Effet photovoltaïque :
20
La conversion de l’énergie solaire en énergie électrique repose sur l’effet photovoltaïque, c’est-à-
dire sur la capacité des photons à créer des porteurs de charges (électrons et trous) dans un
matériau. Lorsqu’un semi-conducteur est illuminé avec un rayonnement de longueur d’onde
appropriée (l’énergie des photons doit être au moins égale à celle du gap énergétique du
matériau), l’énergie des photons absorbée permet des transitions électroniques depuis la bande
de valence vers la bande de conduction du semiconducteur, générant ainsi des paires électrons-
trous, qui peuvent contribuer au transport du courant (photoconductivité) par le matériau
lorsqu’on le polarise.
Si on illumine maintenant une jonction PN représenté sur la figure, les paires électrons-trous qui
sont créés dans la zone de charge d’espace de la jonction sont immédiatement séparées par le
champ électrique qui règne dans cette région, et entraînées dans les zones neutres de chaque
côté de la jonction. Si le dispositif est isolé, il apparaît une différence de potentiel aux bornes de la
jonction (photo tension), s’il est connecté à une charge électrique extérieure, on observe le
passage d’un courant alors qu’on n’applique aucune tension au dispositif. C’est le principe de base
d’une cellule photovoltaïque.
Figure 8 : l`effet photovoltaïque.
E) Principe de fonctionnement :
Pour créer un courant électrique dans un semi-conducteur, il faut lui fournir une énergie qui
permet d’extraire des électrons de la bande de valence pour les transférer dans la bande de
conduction, soit une énergie supérieure au gap de la bande interdite. La lumière dont les photons
transportent une énergie : E = hυ permet d’atteindre cet effet : c’est l’effet photovoltaïque.
La lumière pénétrant dans un semi-conducteur permet donc, si son énergie est supérieure au gap
de faire passer le semi-conducteur de l’état isolant à l’état conducteur, ce phénomène augmente
lorsque la température du semi-conducteur s’élève. Lorsqu’un électron est extrait de la bande de
valence pour passer dans la bande de conduction, il laisse derrière lui une vacance ou un trou à sa
place, alors un autre électron proche de la bande de valence peut combler ce trou et laisser
derrière lui à son tour un trou, on aura ainsi établi un courant de trous. Les deux types de courant
ne seront pas différenciés, on parlera simplement de courant, qu’il s’agisse d’électrons ou de
trous.
21
De même on dit que l’absorption de l’énergie des photons par le semi-conducteur crée des paires
de porteurs électron-trou. L’effet photoélectrique modifie simplement la conductivité électrique
de certains semi-conducteurs, ceci est utilisé pour fabriquer des résistances dépendant de la
lumière, composants largement utilisés dans les appareils photographiques et partout où la
lumière doit être mesurée. Pour transformer le semiconducteur photosensible de composant
passif en composant actif, il faut pouvoir générer un courant de porteurs, donc apporter une force
qui obligera les électrons et les trous à s’écouler dans deux directions opposées. Cette force sera
réalisée par un champ électrique interne provenant du dopage du semi-conducteur.
Figure 9 : le principe de fonctionnement d`une cellule PV.
F) Les types des cellules photovoltaïques :
Les différentes techniques utilisées de nos jours, ont permis de mettre au point divers types de
cellules au silicium : monocristallin, poly-cristallin, amorphe. Il existe aussi d'autres types de
cellules qui utilisent d'autres types de matériaux.
i. Cellule en silicium monocristallin :
Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grandes
dimensions. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules
sont en général d'un bleu uniforme. Les cellules monocristallines sont les plus commercialisés
offrant un bon rendement électrique compris entre 10% et 17%, mais font appel à une méthode
de production plus complexe et donc coûteuse.
En effet, l’obtention d’un cristal pur nécessite une grande quantité d’énergie.
22
Figure 10: Cellule photovoltaïque monocristalline.
ii. Cellule en poly-cristallin :
Pendant le refroidissement du silicium dans une lingotière, il se forme plusieurs cristaux.
La cellule photovoltaïque est d'aspect bleuté, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés
par les différents cristaux. Les cellules poly-cristallines ont un rendement électrique compris
entre 11% et 15%. Leur procédé de fabrication consomme moins d’énergie. Elles ont ainsi un coût
de
production plus faible mais un rendement légèrement inférieur à celui des cellules
monocristallines.
Figure 11 : Cellule photovoltaïque poly-cristallin.
iii. Cellule amorphe :
23
Le silicium lors de sa transformation, produit un gaz, qui est projeté sur une feuille de verre. La
cellule est marronne. C’est la cellule des calculatrices et des montres dites « solaires »,leurs coûts
de fabrication sont les plus intéressants, mais elles ont un rendement compris entre 5 et 7%.
Figure12 : Cellule photovoltaïque amorphe.
G) Module photovoltaïque :
La cellule photovoltaïque élémentaire constitue un générateur de très faible puissance
vis-à-vis des besoins de la plupart des applications domestiques ou industrielles. Une cellule
élémentaire de quelques dizaines de centimètres carrés, délivre au maximum, quelques watts
sous une tension inférieure au volt (tension de jonction PN). Pour produire plus de puissance,
plusieurs cellules doivent être assemblées afin de créer un module ou un panneau
photovoltaïque. En effet, les modules PV sont composés d’un ensemble de cellules mises en
série, réalisant la conversion proprement dite de la lumière du soleil en électricité.
Ils sont eux-mêmes associés en série et parallèle pour former un champ photovoltaïque
d’une puissance crête définie selon des conditions spécifiques d’éclairement, de température
et de spectre solaire. La plupart des modules commercialisés sont constitués de deux à quatre
réseaux de cellules en silicium cristallins connectés en série
24
.
Figure 13 : Module photovoltaïque.
Figure 14 : Câblage des cellules dans un module.
Les modules photovoltaïques assurent les fonctions suivantes :
• Protection des cellules contre les agents atmosphériques.
• Protection mécanique et support.
• Connexion électrique entre cellules et avec l’extérieur.
Les principales caractéristiques d’un module :
Puissance crête :
La puissance électrique produite par un module varie en fonction de l’ensoleillement.
La puissance crête d’un module est la puissance délivrée sous un éclairement de
1000W/m² et
pour une température de jonction de la cellule de 25°C. En France l’éclairement
maximum
reçu, la puissance crête correspond donc à une puissance maximum que le module peut
fournir.
Rendement:
Le rendement dépend des conditions de fonctionnement électrique (intensité,
tension) des cellules. Il passe par un maximum à ce que l'on appelle le point de puissance
maximale.
Panneau photovoltaïque :
Le panneau solaire ou (champ solaire) se compose de modules photovoltaïques
interconnectés en série et/ou en parallèle afin de produire la puissance requise. Ces
modules sont montés sur une armature métallique qui perm et de supporter le champ
solaire avec un angle d’inclinaison spécifique.
25
Figure 15 : Panneau photovoltaïque.
Pour chaque panneau on peut avoir autant de sorties que de modules, ce qui fait qu’on
aura besoin de boite de dérivation qui les regroupe, Alors cette boite de dérivation fixée sur
une structure du montage a comme rôle d’effectuer les connections entre les modules pour
obtenir une puissance optimale en sortie.
H) Système a énergie photovoltaïque :
i. Système photovoltaïque d’alimentation électrique :
Un système photovoltaïque peut fonctionner hors du réseau d’électricité
conventionnelle C’est un système autonome qui exige l’utilisation de batteries pour le
stockage d’énergie.
Figure 16 : Système photovoltaïque autonome.
Diverses sources peuvent être combinées et complémentaires dans un tel système
(système autonome hybride).
26
Figure 17 : Système hybride solaire / éolien.
ii. Système P.V raccordé au réseau :
Le courant généré peut être utilisé localement et les surproductions sont injectées
au réseau. La centrale de distribution électrique se charge également d’équilibrer l’offre et la
demande.
Figure 18: Système photovoltaïque raccordé au réseau.
I. Le chauffe-eau solaire :
Introduction : Les systèmes utilisés pour la production d'ECS dans l'habitat individuel sont appelés Chauffe-
Eau Solaire Individuel ou CESI.
Les systèmes utilisés pour la production d'ECS, de chauffage de l'habitat
sont appelés Systèmes Solaires Combinés ou SSC.
En solaire thermique (récupération de chaleur) les technologies actuelles permettent
de récupérer de 80 à 90 % de la puissance solaire reçue.
27
Figure 19 : catégories des CES .
1. Les Capteurs solaires :
Les capteurs doivent :
➢ Permettre la meilleure récupération possible .
➢ Etre le moins encombrants possible .
➢ Ne pas être trop lourds .
➢ Etre résistants et faciles à entretenir .
➢ Etre d’un prix raisonnable.
A) Les Capteurs plans :
Les capteurs plans sont composés :
- D'un boîtier ou coffre en profilé d'aluminium avec joint d'étanchéité
- D'un couvercle transparent en verre trempé sur la face avant
- D'un isolant thermique sur la face arrière
- D'une plaque absorbante ou absorbeur en cuivre recouvert d'un revêtement sélectif
- De tubes de cuivre soudés sur l'absorbeur à l'intérieur desquels circule le fluide caloporteur
Figure 20 :les composants de capteur solaire.
B) Les capteurs sous vide ou tubulaires :
28
Les capteurs sous vide sont constitués de deux tubes de cuivre concentrique soudés sur une
ailette plane ou un "absorbeur". L'ensemble est scellé dans un tube de verre tiré au vide
partiel ou total. A l'intérieur des tubes de cuivre circule le fluide caloporteur.
Les tubes sont couplés au collecteur sur chantier.
Par [m²], ces capteurs présentent moins de pertes thermiques que les capteurs
plans, mais sont actuellement nettement plus onéreux.
Figure 21 : capteur sous vide .
Il existe différentes versions de tube sous vide :
- Tubes sans ailette mais avec le fond du tube de verre recouvert d'argent pur.
- Capteurs à caloduc : dans ces capteurs circule un fluide frigorigène dont
l’évaporation/condensation aide à la récupération Positionnement des capteurs :
On distingue :
✓ Les capteurs superposés à la toiture (rénovation) .
✓ Les capteurs intégrés à la toiture (installations neuves) .
✓ Les capteurs installés sur châssis (sur terrasses).
29
Figure 22 : les positions des capteurs.
Figure 23 : types des capteurs .
2 . chauffe-eau solire individuel : Un chauffe-eau solaire est un dispositif de captage de l'énergie solaire destiné à fournir
partiellement ou totalement de l'eau chaude sanitaire. Quand il est destiné à une maison
individuelle ou à l'usage d'un seul foyer, on parle de CESI, pour « chauffe-eau solaire
individuel».
30
Installation permettant de chauffer l'eau d'une habitation grâce à l'énergie solaire.
Dans le cas d'un CESI (Chauffe-eau solaire individuel), le fluide caloporteur du panneau
solaire transmet sa chaleur à l'eau sanitaire en passant dans un échangeur thermique . Alors
qu'il a cédé sa chaleur, il repart vers les capteurs où il sera de nouveau réchauffé. L'eau
chaude sanitaire est stockée dans un ballon auquel on peut adjoindre un dispositif
complémentaire (résistance électrique ou deuxième échangeur thermique relié à une
chaudière traditionnelle au gaz, au fioul ou au bois) permettant de pallier à un défaut
d'ensoleillement.
Il se compose principelment des éléments suivants :
▪ Capture solaire constitué de :
➢ Un corps noir
➢ Un fluide caloprteur ( eau+antigel)
➢ Un isolant thermique
➢ Tuyautrie
➢ Accessoires : pompe (circulateur) ; regulation thermique…
Principe de fonctionnement :
Le principe de fonctionnement repose sur les étapes suivantes :
➢ La captions des rayons solaires
➢ La transmission de la chaleur de ces capteurs à un fluide caloporteur par
l’intermédiaire d’un circuit primaire.
➢ La transmission de cette chaleur à l’eau stockée dans un ballon solaire .
La circulation du fluide peut étre naturelle ou forcée .
Figure 24 : chauffe-eau solaire individuel .
A ) Chauffe-eau solaire à élément séparés :
i . à convection naturelle ( en thermosiphon ) :
31
Figure 25 : chauffe-eau thermosiphon à éléments séparés à convection
naturelle.
• Le ballon est palcé plus haut que les capteurs.
• Le fluide caloporteur dans les capteurs est plus chaud que celui dans le
ballon d’où le mouvment du fluide est naturelle (sans ni pompe ni régulation )
dù à la diffirence des densités des deux fluides.
ii . à convection forcée :
Figure 26 : chauffe-eau solaire à éléments séparés à convection forcée.
• Système acctif : le fluide est mis en circulation par une pompe ou circulateur.
• Régulation nécessaire pour déclencher le mouvement du liquide caloporteur par l’action
d’une pompe ( ou circulateur) quand la tempérarue du fluidedans les capteurs est
supérieure à celle contenue dans le ballon .
32
3. Chauffes eau Solaire Collectifs :
Les installations Solaires Thermiques Collectives destinées au préchauffage de l'Eau Chaude
Sanitaire– poste de consommation d'énergie prépondérant sur la facture énergétique d'un
bâtiment performant - en font partie. A ce jour, elles sont souvent prescrites par les bureaux
d'études, en neuf ou rénovation.
Leur principal intérêt est de faire gagner une part non négligeable d'énergie ; elles devraient
connaître un essor encore plus important à l'avenir.
Le soleil est la source d'énergie des capteurs solaires thermiques. Cette ressource est difficilement
maîtrisable et très variable. Par ailleurs, la quantité d'énergie
récupérée peut ne pas correspondre aux besoins d'eau chaude sanitaire, eux aussi fluctuants et
dépendants de l'occupation du bâtiment.
Tout ceci se traduit par des sous ou surproductions d'énergie qui sont à prendre en compte dès
les phases de dimensionnement et de conception si on veut éviter lecontre références en solaire.
A ) Les acteurs principaux pour les installations solaires collectives :
✓ Maîtres d’ouvrages /exploitants :
Toute collectivité publique, entité privée ou bailleur social ayant un projet d’installation solaire.
✓ Bureau d’étude/ingénieur-conseil :
Toute installation collective si elle veut bénéficier d’une subvention de l’état doit faire l’objet
d’une étude réalisée par un professionnel qualifié et indépendant type bureau d’étude, ingénieur-
conseil. C’est à eux que revient la définition des éléments constitutifs de l’installation et des
schémas de réalisation.
En cas de Garantie des Résultats Solaires (GRS), c’est à l’ingénieur de la formaliser.
✓ Garantie des Résultats Solaires (GRS) :
Défini à la fin des années 80, ce concept recouvre un engagement sur la fourniture durable d’une
certaine quantité prédéterminée d’énergie solaire en sortie ballon de stockage solaire qui équipe
l’installation.
La quantité de kWh solaires garantis est assurée durablement (5 années) par le groupement
d’entreprises solidaires qui est chargé de la conception et de la réalisation de l’installation
projetée et éventuellement de son exploitation/maintenance ultérieure.
33
Figure 27 : Production centralisée et distribution directe.
Figure 28 : Production centralisée et distribution par boucle de circulation.
Figure 29 : Appoint décentralisé avec distribution par boucle .
34
B ) les etapes de dimensionnement de chauffe-eau solaire collectif :
Figure 30 : les etapes de dimensionnement
II. Fonctionnement général d’une installation : Une installation de production d’eau chaude sanitaire par l’énergie solaire comporte en général 5
sous-ensembles caractérisant: le captage, le transfert, le stockage, l’appoint et la distribution.
La réduction des consommations d’énergie par rapport à une installation classique dépend du
climat, du lieu d’implantation des capteur solaires, du dimensionnement et de la conception
du système, ainsi que du choix des composants et de leur maintenance. Il est donc nécessaire,
lors de l’étude d’un projet,
de chercher le meilleur ajustement économique de la taille des équipements solair aux
besoins à satisfaire, ainsi qu’une conception optimale des sous-systèmes, de manière à :
- optimiser le captage et le stockage de l’énergie solaire ;
- dissocier l’énergie solaire et l’énergie d’appoint ;
- consommer en priorité l’énergie solaire ;
- conserver à l’énergie d’appoint un caractère de stricte complémentarité.
35
1 . Le captage :
Une installation de production d’eau chaude sanitaire par l’énergie solaire est généralement
constituée de capteurs solaires plans à circulation de liquide qui effectuent la conversion du
rayonnement électromagnétique émis par le soleil, en chaleur et permettent le transfert de cette
énergie calorifique en la cédant à un fluide caloporteur.
▪ Principes de fonctionnement
Un capteur solaire plan est essentiellement constitué d’une surface absorbante exposée au
rayonnement solaire, qui échange avec un fluide caloporteur, les calories produites par
absorption du rayonnement incident, et émet en s’échauffant un rayonnement thermique de
plus grande longueur d’onde (Loi de Stefan-Boltzman). Si cet absorbeur est en contact direct avec
l’air environnant, en plus des pertes par rayonnement, les pertes par convection peuvent être
importantes. Il s’établit alors un équilibre thermique entre l’absorbeur et le milieu ambiant. On
capte ainsi peu d’énergie. Pour réduire les pertes par la face arrière du capteur, l’absorbeur est
placé à l’intérieur d’un coffre dont les parois internes sont recouvertes d’un isolant thermique
(laine de verre ou mousse synthétique, par exemple).
L’isolation thermique de la face avant est réalisée en interposant entre l’absorbeur et l’air, un
matériau opaque au rayonnement thermique, mais transparent au rayonnement solaire. Les
verres et certains matériaux synthétiques sont transparents pour le rayonnement solaire, et
opaque pour le rayonnement infrarouge lointain. Ils sont donc utilisés en tant que couvertures
transparentes des capteurs solaires.
Dans un capteur équipé d’une couverture transparente, le rayonnement thermique émis par
l’absorbeur est absorbé par la couverture transparente qui s’échauffe et rayonne à son tour par
les deux faces. En première approximation, on peut considérer qu’une moitié du rayonnement
se disperse dans le milieu extérieur et que l’autre moitié, ré-émise vers l’absorbeur est à
l’origine de l’effet de serre. Les couvertures ont également pour rôle de limiter les pertes par
convection, étant donné que les échanges thermiques entre deux plaques séparées par une
lame d’air immobile, se font essentiellement par conduction et qu’il est connu que l’air
immobile est un bon isolant thermique. Cet effet d’isolation croît avec l’épaisseur de la lame
d’air séparant les deux surfaces, tant que le phénomène de transfert reste conductif (2 à 3 cm
d’épaisseur). Au-delà, les effets de la convection naturelle viennent contrarier l’effet recherché.
Figure 31 : l’installation de production d’eau chaude sanitaire .
36
Une autre méthode pour réduire les pertes du capteur est la réalisation, sur la surface de
l’absorbeur, d’un revêtement sélectif, présentant un coefficient d’absorption le plus élevé
possible pour les longueurs d’onde du spectre solaire (inférieures à 2,5 µm) tout en ayant une
émissivité la plus faible possible dans le domaine de l’infrarouge correspondant au rayonnement
de l’absorbeur (longueurs d’onde supérieures à 2,5 µm). De tels revêtements sélectifs sont
réalisés par dépôt chimique ou par traitement électrochimique de la surface absorbante. Enfin
les capteurs sous vide permettent de réduire les pertes par convection en plaçant l’absorbeur à
l’intérieur d’une enceinte en verre dans laquelle un vide d’air à été fait (dans ce cas, les tubes
dans lesquels circule le liquide sont en cuivre).
Figure 32 : coupe d’un captur solaire plan .
▪ Bilan énergétique global :
En régime permanent de fonctionnement, on obtient l’équation caractéristique d’un capteur
solaire plan en écrivant son bilan énergétique global : Qu = Qa - Qp
Expression dans laquelle :
- Qu est la puissance cédée au fluide caloporteur ;
- Qa est la puissance solaire absorbée ;
- Qp est la puissance correspondant aux pertes thermiques.
Pour évaluer l’énergie absorbée par le capteur, il faut théoriquement distinguer dans l’énergie
incidente, les parts du rayonnement direct et du rayonnement diffus, en les affectant de
coefficients de transmission et d’absorption appropriés. Toutefois, dans la pratique, on
considère la composante normale au plan du capteur, du rayonnement solaire global incident.
Dans ces conditions, lpuissance absorbée, en Watts, est donnée par l’expression :
Qa = A . τs . αs . G
Dans laquelle :
37
- A est la surface d’entrée du capteur en m2 ;
- τs et αs sont les valeurs moyennes des coefficients de transmission de la couverture
transparente et d’absorption de l’absorbeur sur l’ensemble du spectre solaire ;
- G est l’éclairement énergétique global en W/m2(de surface d’entrée), mesuré dans le plan du
capteur. Compte tenu de l’épaisseur relativement faible d’un capteur plan, on peut, en
première approximation, négliger les pertes par les parois latérales et ne considérer que les
pertes par les faces avant et arrière. La puissance correspondante est alors :
Qp = QAV + QAR
Ramenées à l’unité de surface de l’absorbeur, toutes les pertes, qui sont des flux thermiques du
capteur vers l’extérieur, peuvent être exprimées en fonction de la différence de température qui
les provoque,
par :
QAV / A = UAV (Tm-Ta) et QAR / A = UAR (Tm-Ta)
Soit : QA / A = U (Tm-Ta)
Avec :
U = UAV + UAR
UAV : coefficient de déperditions thermiques par la face avant (W/m2. K) ;
UAR : coefficient de déperditions thermiques par la face arrière (W/m2. K) ;
Tm : température moyenne de l’absorbeur ;
Ta : température ambiante moyenne.
L’équilibre thermique à un instant donné, entre le flux énergétique solaire reçu par le capteur, le
flux d’énergie utile que l’on peut en extraire et ses pertes thermiques propres, permet d’écrire
l’expression suivante du rendement instantané : η = η0 – U(Tm-Ta) / G .
Selon les principes retenus par la normalisation internationale (ISO) et européenne (CEN), le
rendement d’un capteur plan peut être caractérisé par trois coefficients indépendants de la
température :
η = η0 – a1T* - a2 G(T*)2
Avec :
- η0 : coefficient de conversion optique (%) ;
38
- a1 : coefficient de déperditions thermiques par conduction (W/m2.K) ;
- a2 : coefficient de déperditions thermiques par convection (W/m2.K2).
Figure 33 : les variations du rendement instantané en fonction de la température réduite pour
plusieurs types de capteurs.
Pour des valeurs de T* inférieures à 0,07, on peut raisonnablement représenter ces variations par
des relations linéaires. Le rendement s’écrit alors :
η = η’ – a’T*
Dans la norme française NF P50-501, les coefficients η’ et a’ sont nommés respectivement :
facteur optique du capteur et conductance thermique totale des pertes
39
Figure 34: rendement global d’un capteur solaire .
2 . Le transfert de l’énergie et le stockage :
A ) Le stockage :
Le stockage de l’énergie captée permet de pallier le caractère discontinu de l’énergie solaire.
L’accumulation de l’énergie dans le stockage se traduit par une élévation de sa température.
Pour apprécier l’efficacité d’un système de stockage, il faut rappeler que le rendement d’un
capteur dépend essentiellement de la température moyenne du fluide qui le traverse, donc de
la température du fluide au retour du stockage. L’une de caractéristiques essentielles de
l’aptitude à l’emploi du stockage sera de fournir, à l’entrée des capteurs, un fluide dont la
température sera la plus basse possible. Le transfert de chaleur des capteurs vers le ballon
s’effectue de deux façons différentes : soit par circulation forcée avec une pompe commandée
par un dispositif de régulation soit par circulation naturelle ou thermosiphon.
Les systèmes fonctionnant par thermosiphon présentent l’avantage par rapport aux systèmes
habituels avec circulateurs de ne nécessiter aucun dispositif de régulation des apports solaires,
ni pompes de mise en circulation du fluide caloporteur. Ce pendant, dans les faits, les
installations en thermosiphon ne concernent généralement que certaines fabrications de
chauffe-eau individuels et restent l’exception pour les installations collectives. En raison des
problèmes hydrauliques posés par les champs de capteurs de grandes dimensions, et des
contraintes architecturales posées par la disposition des capteurs sous le stockage, la circulation
du fluide caloporteur par thermosiphon est, sauf cas particulier, mal adaptée aux installations
collectives.
40
B ) Les échangeurs de chaleur :
Sur l’ensemble du territoire métropolitain, il est nécessaire de protéger les équipements solaires
contre les risques de gel. Dans la plupart des cas, les capteurs sont protégés par un fluide non
gélif,ce qui implique la présence d’un échangeur. On distingue deux catégories d’échangeurs :
les échangeurs intégrés au stockage et les échangeurs extérieurs au stockage.
Dans le cas où l’échangeur est situé à l’extérieur du stockage, l’échange se fait de part et d’autre
par convection forcée. Les surfaces d’échange sont en général réduites par rapport à un
échangeur intégré. Dans tous les cas, l’efficacité d’un échangeur ne dépend pas de la
température des fluides mais des caractéristiques géométriques de l’échangeur et des débits
calorifiques. Dans la pratique, l’efficacité des échangeurs est de l’ordre de 0,6 à 0,8. Notons que
si l’efficacité d’un échangeur est médiocre, non seulement le transfert de chaleur sera faible,
mais la température de retour du fluide dans le capteur sera élevée et le rendement du capteur
sera diminué.
Lorsque l’échangeur est incorporé au stockage, il est disposé en partie basse du ballon. Cette
disposition permet, à condition que la surface d’échange soit suffisante, de réchauffer de
manière homogène le volume d’eau baignant l’échangeur, tant que la température de celui-ci
n’aura pas atteint à 3 ou 4 degrés près, la température de la partie supérieure du ballon. À
chaque introduction d’eau froide dans le stockage au moment des soutirages, on évite ainsi
d’envoyer dans la partie haute du ballon, de l’eau insuffisamment réchauffée (Stratification des
températures). Cette disposition permet de plus, d’alimenter les capteurs solaires avec un
fluide dont la température en sortie de l’échangeur est la plus faible possible compte tenu des
conditions de soutirage et de la stratification des températures. En outre, elle permet de limiter
les risques de pertes thermiques par circulation inverse dans les capteurs en cas de mauvais
fonctionnement du clapet anti-retour.
Il y a également un aspect dont nous ne parlerons presque pas dans ce dossier, il s’agit de la
régulation du circuit primaire. Son rôle est de commander le transfert de l’énergie captée,
seulement si la température du fluide caloporteur dans les capteurs est supérieure à celle de
l’eau du ballon. La régulation s’effectue à l’aide de sondes et de capteurs.
3 . Fonctionnement d’un appoint :
Suivant la nature des besoins et la configuration des bâtiments, on considère trois types de
systèmes d’appoint :
- les installations avec appoint centralisé et distribution par boucle de circulation, sous réserve
que la longueur totale de canalisation entre la boucle et chaque point de puisage ne dépasse pas
6 m en moyenne ;
41
- les installations de production décentralisée avec distribution directe ou par boucle. La
distribution est réalisée soit directement (distance ballons-points de puisages inférieure à 8 m)
soit par des boucles de distribution desservant des points de puisages groupés (la longueur
totale de canalisation entre la boucle et chaque point de puisage doit être inférieure à 6 m) ;
- les installations avec appoint individualisée et distribution directe, lorsque les points de puisage
ne sont pas éloignés de plus de 8 m des ballons de stockage, afin d’éviter les pertes thermiques
et des puisages d’eau froide. Dans le cas contraire, les dispositifs d’appoint individuels sont
alimentés par une boucle de circulation maintenue en température.
Dans les installations avec appoint centralisé, la boucle de recirculation de l’eau chaude
sanitaire, lorsqu’elle existe, doit être conçue de telle sorte que le réchauffage de la boucle pour
compenser les pertes thermiques soit assuré par l’appoint. Lorsque les appoints sont
individualisés, la boucle d’eau sanitaire doit être maintenue en température par un
réchauffeur .
4 . Schéma bilan d’une installation en général :
Figure 35 : schéma bilan d’installation en général .
42
43
I. dimensionnement d’une centrale solaire photovoltaïque :
on va utilise trois résistance électrique de 40 Kw chacune pour chauffer 15t de l’eau qui sera
stocker dans des ballons de stockage de 5t. Notre 1er solution est basée sur la technologie des
panneaux solaires photovoltaïques raccordées au réseau pour produire de l’énergie électrique .
Actuellement nous allons utilise le réseau one pour alimenter les trois résistances de 40 kw et
donc
L’énergie consommée :
Ec= 40x3 = 120 x 5 = 600 Kwh
1. Estimation de l’énergie à produire : Ona
Ep = 𝑬𝒄/𝒌 avec K= 0.8
Donc Ep = 750 kw
2 . l’emplacement et la situation géographique :
Avant d’entamer les travaux nous étions obligés de faire une étude précise sur les
caractéristiques du site. Ces données sont trouvée a partir du logeciel RETScreen etlogeciel
PVSyst ,Les données sont les paramètres météorologiques , l’emplacement et la situation
géographique .
Figure 36 : location de dakhla dans map RETScreen .
44
Figure 37 : météo menuselle PVSyst .
Figure 38 : données climatique RETScreen .
45
Figure 39 : orientation PVSyst .
Figure 40 : données climatique RETScreen .
3 . Estimation de la puissance crête du générateur photovoltaïque : Pc = 𝑬𝒑 /𝑰𝒓𝒓
avec Irr à la ville de AD DAKHLA est de 5.76 kwh/m2/j
Donc Pc= 130 KWc
4 . Estimation de nombre des panneaux : N= 𝑷𝒄/𝑷
avec P est la puissance crête de chaque panneau
Pour cette installation nous avons choisi des panneaux de 425 Wc
Donc le nombre des panneaux est : 306 panneaux
5. dimensiennement et choix de l’onduleur :
46
Figure 41 : principe de fonctionnement d’onduleur .
➢ Pour convertir le courant continu en courant alternatif nous allons utiliser deux
onduleurs de 70 kw dans cette installation .
➢ Le câble de liaison entre les panneaux et l’onduleur sera de type câble souple
1*35 , 1*16 et 1*25 .
6. Simulation de la production mensuelle de l’installation à l’aide du logiciel
PVgis :
Figure 42 : production énergitique mensuelle .
7. Estimation budgétaire de la centrale :
47
Tableau 2 : budgé de installation de centrale photovoltaïques.
II. dimensionnement d’une installation de chauffe-eau collectif : les plaques solaire thermique pour la production de l’eau chaude pour le stocké dans trois
ballons de 5000 l chacun . les ballons de stockage existés .
1) Estimer la superficie des plaques solaires nécessaires pour chauffer de
l’eau :
➢ L'énergie consommée en kWh/jours :
48
où:
Qdemande = énergie nécessaire pour ECS en kWh/jours
Vdemande = volume d'ECS nécessaire en m3
ρ = densité de l'eau, 1000kg/m3
C = capacité calorifique spécifique de l'eau, 0.00116kWh/kgK
ΔT = différence de température (Tchaud - Tfroid ), en Kelvin
Q= Vx Ꝭ x c x ΔT
Donc Q = 12x 1.16x (60 –16) = 765.6 kwh/jour
➢ La relation de calcul de la surface des capteurs est :
A= 𝑸 𝒙 𝑪𝒔/𝑰𝒓𝒓 𝒙 դ
Efficacité Solaire :
Figure 43 :relation de efficacité solaire
Couverture Solaire :
CS (taux de couverture solaire –entre 60-90%)
49
Figure 44 : relation de couverture solaire .
Donc La surface = 187.5 m2
En utilisant des capteurs de 2m² donc le nombre des capteurs est N = 93.75 capPlusieurs
configurations sont possible, mais les exigences en termes de débit et chute de pression nous
sommes obligés 35 plaques solaire pour chaque ballon de 5t donc 90 plaque en total La
configuration des plaques est la suivante
7 plaques en série et 5 rangées 6x5 = 30 plaques
2) Dimensionnement de l’échangeur de chaleur :
Capacité de l'échangeur de chaleur (kW) ≥ capacité maximale du capteur La capacité d'échangeur
de chaleur un champ de capteur de 192m2 avec un pic de capture d'énergie de 750W/m2 est de
144 Kw
DONC NOUS SOMME BESOIN DE TROIS ECHANGEURS DE 50 KW
3) Dimensionnement de la pompe de circulation et la vase d’expansion :
-Le débit total :
Qt = q x N x A = 20 x 30 x 2 = 1200 l/h
Le débit par rangées est = 240 l/h
-Les pertes de pression
50
Pour les connexions en série, les pertes de pression totale est la somme de perte de
chaque collecteur
Pour Q= 280
Figure 45 : pressure loss en fonction de volume flow .
Les pertes de pression par collecteur est : 40 mBar/cpteur
Pour rangées de 7 = x 40 = 280 mBar
Pour 5 rangées en parallèle les pertes total = 280 mbar
-Les pertes de charge dans la tuyauterie
Pratiquement les pertes de charge dans la tuyauterie est estimé à 1mbar/m malheureusement on
ne
connaît pas la longueur, mais on va l’estimer à 100m
Donc les perte de charge dans la tuyauterie et les autre composant (courbe, soupape, raccord..) est
:
Ptyu = 100 + 0.3*100 = 130 mbar
Les pertes de charge dans l’échangeur est égale à 100 mbar
Finalement les pertes total sont estimé à : 100 + 130 + 280 = 510 mbar
-Choix de la pompe :
On a HMT = 5.10 m
D’après la courbe la puissance de la pompe et pour 0.4 l/s est : 120 W
La vase d’expansion = 100 l / ballon
4) Estimation budgétaire de l’installation :
51
Tableau 3 : budgé de installation chauffe –eau solaire collectif .
52
Conclusion
La production d’eau chaude sanitaire génère des consommations d’énergie considérables étant
donné la multitude des secteurs utilisateurs, à savoir :
Le collectif (hôtellerie, cités universitaires, hôpitaux, immeubles, cliniques privées…) ;
Le résidentiel (logements individuels).
Aujourd’hui, les techniques adoptées pour la production d’eau chaude sanitaire sont : le
bois, les chauffe-eau électriques, les chauffe-eau à gaz et les chaudières à fuel ou à gaz. Ces
techniques, par rapport au solaire, présentent plusieurs inconvénients dont la
consommation accrue d’énergies fossiles, des risques et impacts environnementaux, des
durées de vie limitées, des coûts élevés au litre d’eau chaude produite…
Par contre, les atouts liés à l’énergie solaire thermique sont nombreux dont en particulier
: L’utilisation d’une énergie propre ; L’existence d’un potentiel considérable dans
plusieurs pays avec des durées d’insolation élevées ; La compétitivité par rapport aux
autres sources d’énergie. L’utilisation du solaire thermique (source énergétique
disponible) engendrera des économies d’énergie dont les retombées apparaîtront
directement sur les factures énergétiques, notamment celles des pays importateurs
d’énergie, surtout dans le contexte international actuel marqué par un maintien de la
tendance haussière des cours des produits énergétiques. Cette présente étude a pour but
de permettre aux consommateurs d’avoir une idée sur le chauffe-eau solaire et surtout à
l’habitat. L’étude que nous avons présentée consiste à calculer et dimensionner une
installation de production d’eau chaude sanitaire .
Ce rapport représente le résultat d’étude de deux solutions proposées :
➢ La première solution consiste à dimensionner une centrale photovoltaïque pour
produire de l’énergie électrique nécessaire pour trois résistances électriques existantes.
➢ La deuxième solution sera basé sur les plaques solaire thermique pour la production
de l’eau chaude pour le stocké dans trois ballons de 5000 l chacun qui sont déjà
existé.