nergie solaire

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Énergie solaire

• Un solution davenir?

T.P.E de J.Delage, S.Gaffié, E.Gagneret, A.Sainjon
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(No Transcript)
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Utilisation industrielle

• I. Les centrales solaires
• a) Les centrales à capteurs paraboliques
• b) Les centrales à tour
• c) Les centrales à capteurs cylindro-paraboliques
  

• II. Les fours solaires
• a)Historique et principe du four solaire
• b) Le four solaire dOdeillo

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I. a) Les centrales à capteurs paraboliques

• Déjà dès l'Antiquité, les Grecs utilisaient un
  miroir parabolique pour allumer la flamme des
  Jeux olympiques (776 av. J.-C.). En 1878,
  Augustin Mouchot met au point la première machine
  à vapeur fonctionnant avec un miroir parabolique.
  Le principe est le suivant  au-dessus du
  miroir, un récepteur de petite dimension est
  placé au point de convergence des rayons (le
  foyer de la parabole). Ce récepteur assure, en
  même temps, l'absorption du rayonnement solaire
  et sa conversion en énergie mécanique puis
  électrique.
• Les capteurs paraboliques fonctionnent de manière
  autonome. Ils suivent le soleil sur deux axes
  afin de concentrer le rayonnement solaire sur le
  foyer de la parabole réfléchissante. Le rapport
  de concentration est souvent supérieur à 2000 et
  la température y est proche de 750C.
• Si un moteur  Stirling  est placé au
  foyer de la parabole, la chaleur du soleil peut
  faire travailler un fluide comprimé afin de
  générer de lélectricité
• Chaque capteur est une mini centrale, qui
  produit de lélectricité et en en associant
  plusieurs, on peut augmenter la puissance.

Depuis 30 ans de nombreux prototypes ont vue le
jour, l'objet principal a été d'augmenter les
performances et de diminuer les coûts.
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Fonctionnement dun capteur parabolique

• Différents capteurs paraboliques 
• Le capteur parabolique  Euro-dish , développé
  sur la Plate-forme dAlmeria, en Espagne, est en
  cours dessais sur plusieurs sites dEurope.

• Le capteur parabolique  Dish-stirling ,
  développé par Stirling Energy Systems (SES) à
  Phoenix, en Arizona. Cette centrale solaire, avec
  une puissance de 25 kW, est laboutissement dune
  vingtaine dannées de recherches. Ce modèle doit
  être commercialisé en 2004.

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Quelques applications Des capteurs de 50 mètres
carrés (m2), expérimentés en France à
Saint-Chamas dans les Bouches-du-Rhône ont fourni
une température de 300 C. L'Australie a mis en
uvre un ensemble de capteurs de 400 mètres
carrés (m2) pour fournir une puissance électrique
totale de l'ordre de 2 MW. La centrale de Warner
Springs aux USA est composée de systèmes
contenant chacun 24 miroirs paraboliques disposés
en coupelles (les héliostats) la puissance
électrique maximale du site atteint 25  MW.
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I. b) Les centrales à tour

• Ici on utilise de nombreux miroirs plans (des
  miroirs dont la surface est plate) qui
  concentrent le rayonnement solaire sur une
  chaudière placée en haut dune tour. Les miroirs
  ou  héliostats  sont conçus pour tourner avec
  le soleil. Le rayonnement doit être dirigé vers
  le foyer avec une grande précision afin de
  concentrer lénergie thermique pour assurer des
  températures poche de 600C.
• A la différence dune centrale cylindro-paraboliqu
  e, les déperditions dénergie dans le transfert
  de chaleur sont minimisées. Cependant, les
  centrales à tour doivent être très grandes pour
  trouver une rentabilité et le développement
  industriel est toujours dans les premières phases
  dexpérimentation.

Disposition des capteurs plans dans une centrale
à tour
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• Lexpérimentation a commencé aux Etats-Unis au
  laboratoire de SANDRIA à Albuquerque en 1976. La
  centrale avec une tour de 63 m et 222 héliostats
  contrôlés par ordinateur a permis de fournir une
  puissance thermique de 5 MW. Depuis, la recherche
  a continué en France et en Espagne, avec la
  participation active des laboratoires allemands.
• THEMIS est lunique essai français de production
  délectricité au moyen dune centrale solaire à
  tour. Le projet de recherche a démarré en 1975,
  autour dune équipe mixte EDF-CNRS. La centrale a
  été livrée pour des essais dexploitation en 1983
  et abandonnée en septembre 1986.

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• SOLAR 1, construit à Barstow en Californie, était
  opérationnel de 1982 à 1988. Cette centrale
  comportait 1800 héliostats et avait une puissance
  thermique de 10 MW. Leau dans la chaudière
  était transformée directement en vapeur et
  utilisée dans une turbine.
• SOLAR 2 est le résultat dune rénovation complète
  de Solar 1 et de lintroduction de la technologie
  de sel fondu comme caloporteur. Cette centrale
  expérimentale du Département dEnergie et de
  lentreprise Edison de Californie du Sud, a
  démarré en 1996. Les recherches sur ce site ont
  démontré que le système de stockage de la chaleur
  avec du sel de nitrate fondu est opérationnel.
  Ainsi, une partie de lénergie thermique peut
  servir pour produire de lélectricité pendant les
  périodes nuageuse ou pendant la nuit. Cétait une
  étape essentielle pour la commercialisation de la
  technologie.

La centrale SOLAR 2 avec 1926 héliostats autour
de la tour
10
Vue d'un héliostat de la centrale Solar 2.La
puissance thermique de 35,5 MW a générée une
puissance électrique de 10 MW.
Stockage de chaleur à SOLAR 2 Ces 2 réservoirs
de sel fondu permettent une production électrique
de pleine puissance pendant 3 heures sans soleil

• SOLAR TRES est un projet espagnol qui sera
  réalisé en partenariat avec des industriels
  américains et allemands, suite aux expériences
  menées à Solar 2 et Almeria. Il doit utiliser la
  technologie de sel fondu fin dassurer jusquà 16
  heures de stockage, et de permettre à une turbine
  de 15 MW de fonctionner jusquà 24 heures par
  jour.

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I. c) Les centrales à capteurs cylindro-paraboliqu
es

• Cest le procédé solaire qui a produit le plus
  délectricité sur Terre. Il est utilisé dans la
  plus grande centrale thermique solaire au monde à
  Kramer Junction en Californie, où cinq  SEGS 
  (Solar Electric Generating Systems) de 30 MW,
  soit 150 MW de capacité électrique solaire sont
  raccordée au réseau californien. Les centrales
  thermiques solaires en Californie ont une
  puissance total de 354 MW.

La centrale solaire de Kramer Junction en
Californie
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• Le système SEGS utilise de nombreuses rangées
  de capteurs cylindro-paraboliques réfléchissantes
  orientées est-ouest, dune centaine de mètres de
  longue. Les capteurs suivent le mouvement
  apparent du soleil et concentrent le soleil, de
  30 à 100 fois, au point focal du miroir
  parabolique. Lénergie thermique reçue au point
  focal est absorbée par un tuyau métallique à
  lintérieur dun tube en verre sous vide. Le
  fluide (huile synthétique) qui circule à
  lintérieur du tuyau, est chauffé à 400C. Ce
  fluide est ensuite pompé à travers des échangeurs
  conventionnels afin de produire de la vapeur
  surchauffée qui fait fonctionner une turbine ou
  un générateur électrique. Le cycle recommence
  quand le fluide refroidi dans les échangeurs
  retourne au circuit des capteurs.

Capteurs cylindro-paraboliques à la centrale
solaire de Kramer Junction en Californie

• La centrale est conçue pour fonctionner avec
  l'énergie solaire uniquement. Cependant, un
  appoint de gaz est utilisé pendant les périodes
  nuageuses ou en fin de journée afin d'assurer une
  production continuelle.

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• Une centrale solaire de 64 MW est en construction
  près de Boulder City, dans l'état de Nevada. Elle
  doit être raccordé au réseau électrique en 2007
  afin de satisfaire les besoins d'environ 40.000
  familles.
• La société israélienne Solel qui a développé le
  concept "Luz" réalisé à Kramer Junction dans les
  années 80 doit construire une nouvelle centrale
  solaire à Ashlim à 40 km au sud de Beer-Sheva en
  Israël. Cette centrale sera construit en 2006 et
  devrait avoir une puissance électrique de 500 MW
  à terme, soit 2 de la puissance demandée en
  Israël. La surface nécessaire à linstallation
  sera de 900 hectares.

Tube absorbeur
Réflecteur
Tuyauterie
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II. a) Historique et principe du four solaire

• Historique 
• En 1944, les Allemands quittent la France et
  abandonnent à Mont-Louis un projecteur DCA pour
  repérer les avions. C'est un miroir parabolique
  orientable au foyer duquel est placée une forte
  ampoule, ce qui donne un faisceau de lumière
  parallèle. On dirige alors ce projecteur vers le
  ciel, la nuit.
• Un professeur en vacances à Mont-Louis eut l'idée
  de réutiliser ce projecteur abandonné là, mais à
  l'envers on le dirige vers le soleil (de jour
  donc), et les rayons parallèles du soleil sont
  concentrés grâce au miroir parabolique vers le
  foyer. Si on tient une bûche pile à cet endroit,
  elle prend instantanément feu.

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• Plus tard, le CNRS a eu l'idée d'utiliser cette
  découverte à des fins de recherche un four
  solaire, utilisant le même principe, fut
  construit à Odeillo. En effet, c'est l'endroit le
  plus ensoleillé de France 3000 heures de soleil
  par an (soit 300 jours sur 365).

Four solaire dOdeillo
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• Principe du four solaire 
• Dans un four solaire, les capteurs à miroirs
  plans et miroirs paraboliques peuvent être réunis
  dans une même centrale. Il est constitué d'un
  champ de miroirs plans mobiles et d'un grand
  miroir parabolique fixe qui concentre tout le
  rayonnement sur une surface réduite. Ces fours
  sont utilisés dans le traitement thermique de
  certains matériaux et en photochimie et
  permettent d'obtenir des températures qui
  dépassent 3 000 C. Le four solaire d'Odeillo
  (Pyrénées-Orientales) est un exemple classique.

Disposition des miroirs dans un four solaire
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(No Transcript)
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II. b) Le four solaire dOdeillo

• Le four dOdeillo se trouve dans les Pyrénées
  Orientales en France à une altitude de 1500 m.
  Cette situation géographique permet des
  conditions climatiques très favorables pour ce
  type d'installation. Le nombre d'heures
  d'ensoleillement est de 3000h/An, son hygrométrie
  est très basse et le flux solaire direct varie
  entre 800 W/m2 et 1050 W/m2 dans le meilleur des
  cas.
• Contrairement au four de Mont-Louis, comme il est
  beaucoup plus grand (une vingtaine de mètres de
  haut), il est fixe et tourne le dos au soleil.
  Face à lui, de nombreux miroirs plans s'orientent
  automatiquement grâce à des diodes et suivent la
  course du soleil. La lumière est alors réfléchie
  vers le grand miroir parabolique, qui à son tour
  réfléchit ces rayons (qui lui arrivent
  parallèlement) vers le foyer, situé à une hauteur
  de quelques dizaines de mètres au-dessus du sol.

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• Un champ de 63 héliostats installés sur 8
  terrasses éclaire le grand miroir parabolique.
  Chaque héliostat est piloté de sorte que le
  faisceau réfléchi reste parallèle à l'axe
  horizontal Nord-sud du paraboloïde de révolution.

• C'est dans ce foyer qu'ont lieu les recherches
  entreprises par le CNRS. Contrairement à ce qu'on
  pourrait penser, le four solaire ne produit pas
  d'électricité, mais sert uniquement à la
  recherche sur la fission et la résistance des
  matériaux. En particulier, c'est là qu'a été
  testé le revêtement de la navette spatiale, qui
  affronte des températures de cet ordre
  lorsqu'elle rentre dans l'atmosphère.

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Le four solaire d'Odeillo est ouvert à la
visite, du moins le musée à son pied, dans lequel
se trouvent des explications fort instructives.
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Utilisation domestique

• I. Fonctionnement dune installation solaire
• a) Laccumulateur
• b) La commande

• II. Système de chauffage solaire
• a) Dans une maison
• b) Pour la piscine

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• L'absorbeur, qui est l'élément central d'une
  installation solaire, absorbe l'énergie du
  rayonnement et la convertit en chaleur. Un
  absorbeur est un corps métallique à revêtement
  noir traversé de tubes. Il est monté dans un
  boîtier bien isolé avec un couvercle en verre
  pour améliorer le rendement de l'énergie solaire
  utilisable. Cet ensemble est appelé, capteur
  solaire. Le fluide, contenu dans les tubes du
  capteur, chauffe, puis circule à l'aide d'une
  pompe qui amène la chaleur vers un accumulateur.
  Celui-ci permet de stocker du fluide, donc de la
  chaleur. Ce fluide est constitué d'un mélange
  eau/antigel (non toxique) afin de ne pas geler en
  hiver.
• La chaleur est récupérée par l'échangeur.
  Celle-ci est ensuite redistribuée dans le réseau
  habituel pour le chauffage de l'eau sanitaire ou
  pour le chauffage central.

Conduite de circulation
Capteur solaire
Branchement au réseau d'eau chaude
Pompe
Installation de chauffage d'appoint
Accumulateur
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I. a)Laccumulateur

• Comme l'énergie solaire et la demande en chaleur
  ne coïncident que très rarement, il est
  nécessaire de stocker la chaleur du soleil. Pour
  cela, il faut installer un accumulateur d'eau
  chaude.
• Il consiste à stocker la chaleur produite par les
  capteurs dans un volume d'eau tampon, dans lequel
  on vient puiser lorsque cela est nécessaire.
• Dans les installations de chauffage d'appoint,
  l'accumulateur est légèrement plus grand que dans
  les installations de chauffage traditionnel.
• Un appoint peut être fournit par une chaudière à
  gaz, à condensation ou même à fuel.

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I. b) La commande

• Le système de régulation compare la température
  du capteur à celle de l'accumulateur. Si elle est
  supérieure, la pompe se met en marche et la
  chaleur est amenée dans la maison. Dans le cas
  contraire, la pompe se déclenche.
• La température de l'accumulateur est mesurée à
  l'endroit le plus froid, c'est-à-dire, en
  dessous. Ceci permet de longues durées
  d'utilisation de l'installation.
• La commande enclenche automatiquement le
  chauffage d'appoint lorsque l'apport de chaleur
  est insuffisant.

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II. a) Dans une maison

• Ce système comporte
• une chaudière
• des échangeurs cuves
• une commande de régulation
• un système de répartition
• un cumulus (chauffe eau)
• un plancher chauffant
• des capteurs solaires (panneaux solaires)

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Cuve n1 et n2

• Ces cuves sont en béton, isolées de l'intérieur
  avec un produit hydrofuge et isolées à
  l'extérieur avec des flocons de laine de verre
  puis recouvertes (voir image ci-dessous).
  L'énergie, donc l'eau chaude, est stockée dans
  des cuves. Cette énergie est ensuite utilisée
  lors de nuits ou de journées fraîches. En hiver,
  ces cuves n'ont aucune utilité.
• De plus, en pleine saison, c'est à dire en été,
  les cuves jouent le rôle de tampon, l'énergie est
  stockée et elle n'est pas gaspillée. Cette
  énergie pourrait être utilisée pour une piscine,
  mais aussi, pour la production d'eau chaude.

Cuves isolées de 3000 litres chacune
27
Commande de régulation
1.
3.
2.

• Compteur de consommation électrique distingue la
  consommation courante de la consommation
  chauffage. Ceci permet ensuite de préciser le
  besoin d'appoint exact en KWh, d'analyser la
  restitution en KWh des capteurs (panneaux
  solaires).
• Tableau de contrôle, fusibles, accélérateurs
• Tableau du système de régulation (unité centrale
  permet de régler la température choisie)

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Système de répartition

• Ce système est aussi appelé "bouteille". Celle-ci
  permet d'orienter la circulation d'eau chaude,
  programmée par l'unité centrale dans les
  différentes zones.

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Cumulus (chauffe eau)

• Chauffe eau de 330litres produisant l'eau chaude
  sanitaire.

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Plancher chauffant

• Le plancher est recouvert de tuyaux en cuivres
  pour une meilleure diffusion de la chaleur.

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Panneaux solaires

• Ils sont directement posés sur la charpente, avec
  isolation. Ils doivent être orientés plein sud
  avec une inclinaison de 40.

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II. b) Pour la piscine

• Quand il y a du soleil, une pompe aspire l'eau du
  bassin à travers les capteurs. L'eau se chauffe
  et retourne dans la piscine. Les capteurs sont
  directement posés par terre ou sur un toit près
  de la piscine. La superficie de capteurs est
  choisie en fonction des dimensions de la piscine
  et de sa localisation. Par exemple, dans la
  moitié nord de la France, il faut couvrir 40 à
  60 de la surface de la piscine et dans la moitié
  sud, il suffit de couvrir 25 à 40.
• Il existe aussi d'autres installations solaires
  qui fonctionnent avec un raccordement sur le
  circuit de filtration de la piscine.

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• La pompe de filtration assure la circulation de
  l'eau dans les capteurs. La conduite d'eau
  réchauffée en provenance des capteurs solaires
  est raccordée au retour vers la piscine.
• Une vanne motorisée, commandée par un système de
  régulation, peut être raccordée sur les conduites
  d'eau de la piscine, afin d'assurer les
  conditions de fonctionnement optimales.

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Intérêts et rentabilité
Comme tout, lénergie solaire a des inconvénients
et de grands avantages. Pour se les représenter
nous allons suivre le parcours de la fabrication
à lutilisation de panneaux solaire.

• Rentabilité

• Installation

• Production

• Utilisation

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Production

• Tout dabord, il sagit dune production
  polluante,En effet les panneaux sont fait de
  mélanges de plastiques à base de pétrole.
• Mais il existe aussi un coût de production très
  important. Cela comprend le panneaux mais aussi
  le ballon(voir ci contre).
• Cependant, si la fabrication augmente, les prix
  devraient baisser et les procédés de fabrication
  changer. Ainsi, on est en mesure despérer une
  amélioration des conditions de production des
  système dénergie solaire thermique.

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Installation

• Si lentreprise qui fait les travaux dispose de
  la norme Qualisol(Nome qui garantit aux
  consommateurs la qualité des matériels utilisés
  et le savoir-faire des professionnels qui les
  mettent en uvre), vous pouvez prétendre à ces
  aides 
• déductions dimpôt de 40 depuis le 01/01/06
  grâce à lADEME(Agence de lEnvironnement et de
  la Maîtrise de lÉnergie).
• Midi-Pyrénées est la première région pour ces
  installations et offre jusquà 1143.
• Malgré ces aides, lachat reste très cher et ne
  se rentabilise quau bout de 20ans.
• Pour lesthétique chacun peut en juger, mais il
  est maintenant possible dintégrer le panneau à
  la place des tuiles, ce qui le cache en parti.

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Rentabilité
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(No Transcript)
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Utilisation

• Lutilisation se fait sans contrainte, vous
  navez rien à faire, dès que leau est chaude
  elle se mélange à votre système deau lors de vos
  utilisations.
• Lentretien est très simple et ne nécessite pas
  daide extérieur. Le bienfait environnemental est
  présent dès linstallation.
• En effet cette production ne dégage pas de
  carbone ou de gaz à effet de serre, elle absorbe
  juste des rayons du soleil. Cependant si vous
  disposer darbres trop volumineux, cela peut
  poser des problèmes. Les nuages et les
  précipitations aussi peuvent diminuer la
  production des panneaux.
• Et bien sûr, lensoleillement étant directement
  lié à la production dénergie, vous naurait pas
  les mêmes intérêts à Lille quà Toulouse.

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On peut donc dire que lachat de panneaux
solaires est un investissement onéreux, mais de
qualité, et surtout un acte civique, qui
privilégie lenvironnement à la rentabilité.