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Panneau solaire

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Panneaux solaires thermiques (à gauche) et photovoltaïques (à droite).

Panneaux photovoltaïques, ile de Hjelm. Noter la position verticale (sud) et les protection anti-oiseaux

Un panneau solaire est un dispositif destiné à récupérer une partie de l'énergie du rayonnement solaire pour la convertir en une forme d'énergie (électrique ou thermique ^[1]) utilisable par l'homme.

Panneaux solaires thermiques (à gauche) et photovoltaïques (à droite).

Panneaux photovoltaïques, ile de Hjelm. Noter la position verticale (sud) et les protection anti-oiseaux

Différentes méthodes

On distingue deux types de panneaux solaires :

• les panneaux solaires thermiques, appelés capteurs solaires thermiques, qui convertissent la lumière en chaleur récupérée et utilisée sous forme d'eau chaude ;
• les panneaux solaires photovoltaïques, appelés modules photovoltaïques, qui convertissent la lumière en électricité. Le solaire photovoltaïque est communément appelé PV.

Dans les deux cas, les panneaux sont habituellement plats, d'une surface approchant plus ou moins le m² pour faciliter et optimiser la pose. Les panneaux solaires sont les composants de base de la plupart des équipements de production d'énergie solaire.

Les panneaux solaires thermiques sont actuellement plus rentables économiquement que les modules photovoltaïques grâce à un rendement élevé avoisinant les 80 % (voir capteur solaire thermique), cependant, l'énergie récupérée est pour l'instant utilisée essentiellement pour le chauffage de l'eau chaude sanitaire.

L'intérêt d'utiliser des panneaux solaires photovoltaïques apparaît vite lorsqu'on sait qu'une surface carrée de 344 km de côté (120.000 km2) pourrait couvrir la totalité des besoins mondiaux en électricité : le rendement d'une installation photovoltaïque étant estimé entre 15-17 % (en 2007 en Europe) soit 160 kWh/an/m² (ou 160 GWh/an/km²^[2]) avec des besoins mondiaux estimés à 19 000 TWh (chiffre 2006; 16 000 TWh en 2004^[3]). Dans le cas de l'Europe des 27 (3 000 TWh), une surface de 137 km de côté (19.000 km2) suffirait, tandis que dans le cas de la France (500 TWh), il faudrait qu'elle ait 56 km de côté (3.100 km2).

D'une manière générale, on considère que la totalité de la surface des toitures existantes correctement exposées et couvertes de panneaux pourrait suffire à satisfaire la totalité des besoins mondiaux en électricité.

Pour estimer le potentiel de l'énergie solaire, il faut savoir que l'énergie émise par le soleil et reçue par la terre en environ une heure devrait permettre, si elle était récupérée en totalité, de pourvoir aux besoins énergétiques de l'humanité pendant un an

Panneaux solaires thermiques : les "capteurs solaires"

Article détaillé : Capteur solaire thermique.

chauffe-eau solaire.

Il existe deux types de panneaux solaires thermiques : les capteurs à eau et les capteurs à air.

• Dans les capteurs thermiques « à eau », l'eau ou plus souvent un liquide caloporteur, (cf chauffe-eau solaire) circule dans des tubes munis d'ailettes en circuit fermé. Pour obtenir un meilleur rendement, l'ensemble est placé dans une boîte vitrée isolante afin d'obtenir un effet de serre. Avec un ensoleillement important, et si les besoins en eau chaude sont modérés, un simple réseau de tubes à ailettes peut suffire. Les ailettes, qui forment ce qu'on appelle l'absorbeur, sont chauffées par le rayonnement solaire et transmettent leur chaleur au liquide caloporteur qui circule dans les tubes. Les capteurs solaires à eau sont utilisés pour produire de l'eau chaude sanitaire (ECS) dans un chauffe eau solaire individuel (CESI). C'est actuellement la solution la plus rentable en termes de solaire. Les systèmes solaires combinés (SSC) commencent à se développer. Ils ont pour objectif de produire de l'eau chaude sanitaire et de l'eau chaude destinée à participer au chauffage du logement. Ces systèmes permettent d'économiser de l'ordre de 350 kWh par an et par m² de capteurs ^[4].

• Dans les capteurs thermiques « à air », de l'air circule et s'échauffe au contact des absorbeurs. L'air ainsi chauffé est ensuite ventilé dans les habitats pour le chauffage ou dans des hangars agricoles pour le séchage des productions.

En France le « Plan Soleil », lancé en 2000 par l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (ADEME) pour les chauffe-eau solaires et la production de chaleur, incite les particuliers à s'équiper en solaire grâce à des aides incitatives de l'État, des Régions, de certains Départements et de certains regroupements communaux^[5].

Panneaux solaires photovoltaïques

Panneau solaire à Marla dans le cirque de Mafate, à la Réunion.

Article détaillé : module solaire photovoltaïque.

Les panneaux solaires photovoltaïques regroupent des cellules photovoltaïques reliées entre elles en série et en parallèle.

Ils peuvent s'installer sur des supports fixes au sol ou sur des systèmes mobiles de poursuite du soleil appelés trackers, dans ce dernier cas la production électrique augmente d'environ 30 % par rapport à une installation fixe. La plupart des installations fixes se font actuellement plutôt sur les toîts des logements ou des bâtiments, soit en intégration de toîture, soit en surimposition. En ville, on commence à poser des panneaux verticaux en façade d'immeuble, cette inclinaison n'est pas optimum pour la production d'électricité, mais comme ces panneaux remplacent le revêtement de façade, l'économie réalisée sur le revêtement compense une production plus faible.

Les détracteurs de l'énergie photovoltaique disent qu'un panneau solaire photovoltaïque met entre 12 à 15 ans pour produire autant d'énergie qu'il en a fallu pour le construire en tenant compte de la chaîne complète depuis l'extraction des matières premières jusqu'à la fabrication, le transport et la pose. Cependant, ce chiffre ne semble pas étayé par un calcul scientifique. En 2004, le département Américain de l'Energie estimait cette durée à 4 ans maximum ^[6].

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pompe a chaleur

Une pompe à chaleur (PAC) est un dispositif thermodynamique permettant de transférer la chaleur du milieu le plus froid (et donc le refroidir encore) vers le milieu le plus chaud (et donc de le chauffer), alors que, naturellement, la chaleur se diffuse du plus chaud vers le plus froid jusqu'à l'égalité des températures.

Le réfrigérateur est le système de PAC le plus connu. Le climatiseur est un autre système de PAC courant. Les pompes à chaleur des climatisations sont parfois réversibles contrairement aux réfrigérateurs. La sueur est une PAC rafraîchissante naturelle.

Mais le terme de « pompe à chaleur » s'est surtout diffusé pour désigner la pompe à chaleur géothermique ou la pompe à chaleur air-eau, système de chauffage domestique popularisé en France suite au premier choc pétrolier en 1973. Dans certains pays, dont la France, des incitations fiscales soutiennent la diffusion de certains modèles de pompe à chaleur air-eau. Ces systèmes regagnent en popularité depuis l'an 2000, notamment en raison de l'augmentation du prix du pétrole et de préoccupations écologiques.

Principe

Le principe de fonctionnement d'une PAC est comparable à celui d'un réfrigérateur.

Alors qu'un réfrigérateur transfère la chaleur pour rafraîchir son atmosphère intérieure, la PAC transfère la chaleur de l’air extérieur pour l'injecter à l’intérieur de la maison. Car l’air, même froid, contient de la chaleur.

On définit deux milieux : la source froide (d'où l'on extrait l'énergie) et la source chaude (où on la réinjecte). Dans cette définition, la notion de "chaud" ou "froid" est donc indépendante de la température des sources bien que, le plus souvent, la source chaude ait une température plus élevée que la source froide^[1].

Un circuit frigorifique transfère l'énergie grâce au changement d'état (liquide / gaz) du fluide utilisé (cf. enthalpie). Le moto-compresseur assure la compression du fluide dans le condenseur (source chaude) afin que le changement d'état souhaité se produise à une température élevée. La pression du fluide est alors réduite au moyen d'un « détendeur » (terme impropre car on agit sur la phase liquide, incompressible : l'expression réducteur de pression est plus adéquate) avant d'entrer dans l'évaporateur (source froide) pour que le changement d'état voulu se produise à basse température. L'inversibilité du cycle peut être obtenue au moyen d'une vanne à quatre voies qui permet de choisir l'échangeur (vor ci-dessus) vers lequel la phase gazeuse est dirigée et, corollairement, l'échangeur alimenté par la phase liquide. Cette vanne (si elle existe) permet donc de choisir quelle source sera froide (ou chaude).

La température de la source froide doit nécessairement être supérieure à la température d'évaporation du fluide et celle de la source chaude inférieure à celle de condensation du fluide pour que ces changements d'état se produisent. Dans le cas contraire, les changements d'état ne se produiraient pas et l'efficacité du circuit frigorifique ne serait qu'au mieux de 1 ou 0 (voir formules ci-dessous).

On définit l'efficacité η d'une PAC par le rapport de l'énergie « utile » (la chaleur restituée à la source chaude) sur le travail, énergie fournie à la PAC :

Mais η peut être inférieur à 1 si l'on ne considère que la chaleur transférée par le condenseur (la différence pouvant par exemple être évacuée par le refroidissement forcé du compresseur).

Dans le cas d'une machine frigorifique (par exemple un réfrigérateur), l'énergie « utile » est la chaleur prise à la source froide :

L'efficacité d'une pompe à chaleur décroît avec l'écart de température entre sources et est limitée par la deuxième loi de la thermodynamique.

En pratique, les vendeurs de pompes à chaleur annoncent généralement le rapport entre la puissance thermique de leur machine et sa consommation électrique. On lui donne par convention le nom de coefficient de performance ou COP. En outre, des contraintes techniques limitent les températures de fonctionnement : impossible de rejeter de l'eau pure à moins de 0°C, phénomène de givrage (source froide) ; haute pression limitée par la résistance mécanique du circuit 'haute pression' (source chaude) ; transfert effectif d'énergie à chaque source (dimensionnement et encrassement des échangeurs).

Le cycle de Carnot est le cycle ditherme présentant la meilleure efficacité. Les températures T sont exprimées en Kelvin. T[K]= T[°C] + 273,15 soit par exemple T = 290,15 K pour 17 °C.

Calcul du COP chaleur : pour un chauffage domestique, le maximum théorique est de l'ordre de 15 (en pratique, le COP brut des machines actuellement en vente est de 3 à 5). Précisons que l'énergie absorbée par tout le système doit également comprendre l'énergie absorbée par ses satellites (ventilateurs, pompes, ...) pour que le COP calculé soit "réaliste".

Circuit de captage

Pour les habitations individuelles ou les petits immeubles, la plupart des pompes à chaleur "géothermiques" captent l'énergie du sol par un circuit constitué de tuyaux de polyéthylène. Il existe deux types de captage :

• capteurs horizontaux : enterré à environ un mètre sous la surface, le circuit est constitué de boucles (par exemple sous le jardin). La surface occupée par les capteurs dépend de la nature du sol, il peut occuper environ deux fois la surface à chauffer, soit par exemple 400 m² pour une surface à chauffer de 200 m². Cet espace peut être planté de gazon ou de petits arbustes, mais ne peut accepter d'arbres aux longues racines.
• capteurs verticaux : le circuit comporte un tuyau formant une seule boucle verticale. Il nécessite un forage en profondeur (environ 80 m). Plus coûteux, il présente l'avantage d'occuper moins de surface au sol. Les capteurs verticaux sont également appelés sondes géothermiques.

Le circuit de captage de la pompe à chaleur à air est généralement absent quand la pompe est extérieure: elle aspire et rejette dans son environnement; certains modèles intérieurs ou dans des locaux techniques aspirent et rejettent par des conduits. Les capteurs distant doivent néanmoins être raccordés par le ciruit frigorifique chargé de fréon.

Le circuit de captage de la pompe à chaleur à eau est constitué d'une pompe de circulation, d'un point de prélèvement avec crépine et filtre et d'un rejet.

L'appareil de la PAC

Schéma de principe d'une PAC à détente directe

L'appareil, qui prélève de la chaleur à la source froide grâce au circuit de captage, dispose de quatre organes principaux (cf. schéma ci-contre) :

• 1) le condenseur (source chaude) : le fluide frigorigène libère sa chaleur au fluide secondaire (eau, air...) en passant de l'état gazeux à l'état liquide,.
• 2) le détendeur : il réduit la pression du fluide frigorigène en phase liquide.
• 3) l'évaporateur (source froide) : la chaleur est prélevée au fluide secondaire pour vaporiser le fluide frigorigène.
• 4) le compresseur : actionné par un moteur électrique, il élève la pression et la température du fluide frigorigène gazeux en le comprimant

Il existe deux technologies différentes :

• la détente directe : elle se compose d'un seul circuit. Le fluide frigorigène passe directement dans le sol chauffant ou les convecteurs. Le circuit de captage joue le rôle d'évaporateur et le circuit de chauffage celui de condenseur.
• les fluides intermédiaires : la PAC possède un circuit séparé pour le captage, la pompe à chaleur et le chauffage. Ce système est un peu plus coûteux mais plus performant, notamment pour le rafraîchissement, et il contient bien moins de fluide frigorigène.

Il existe également des systèmes mixtes.

Le circuit de chauffage

On utilise principalement trois types d'émetteurs de chauffage :

• Le plancher rayonnant basse température
• Les ventilo-convecteurs
• Les radiateurs basse température

Il est important de retenir que les pompes à chaleur n'offrent une efficacité intéressante qu'à la condition d'être reliées à des émetteurs dimensionnés pour des températures basses. En effet, les coefficients de performance annoncés par certaines publicités à des températures d'eau élevées sont fantaisistes. Les radiateurs peuvent parfois être ré-utilisés s'ils sont adaptés au chauffage à basse température ; ce peut être le cas pour des installations anciennes dimensionnées pour un fonctionnement en thermosiphon : les dimensions de canalisations et de radiateurs peuvent permettre de chauffer à basse température avec un débit très supérieur à celui du thermosiphon grâce aux accélérateurs modernes. Il est également possible de redimensionner certains radiateurs en fonction du besoin propre au local concerné afin de compenser la baisse de température par une surface d'émission supérieure. C'est la solution retenue le plus couramment en cas de rénovation d'une installation existante.

Fonctionnement d'une pompe à chaleur géothermique à fluides intermédiaires

Cycle thermodynamique

Le fluide circulant dans une pompe à chaleur subit un cycle de transformation composé de quatre étapes :

• À la sortie du compresseur, le fluide est sous forme gazeuse à haute pression et sa température est élevée.
• Dans le condenseur, le fluide passe à l'état liquide et cède de l'énergie qui est transférée vers l'extérieur (circuit de chauffage) sous forme de chaleur.
• À la sortie du condenseur, le fluide (liquide) voit sa température fortement diminuer.
• Dans le détendeur, l'énergie du fluide (son enthalpie) reste constante.
• À la sortie du détendeur, le fluide est à l'état liquide basse pression. Sa température baisse dès qu'il peut (un tant soit peu) s'évaporer.
• Dans l'évaporateur, le fluide récupère de l'énergie sous forme de chaleur en s'évaporant. La pression reste constante et le fluide devient totalement gazeux.
• À la sortie de l'évaporateur, le fluide est tempéré (environ 5°C) et à faible pression.
• Dans le compresseur, le gaz est comprimé et passe donc d'une basse pression à une pression plus élevée grâce à l'énergie mécanique fournie par le compresseur. Sa température s'élève suivant la loi de Mariotte.

Fluide frigorigène

Les fluides frigorigènes les plus couramment utilisés pour les PAC sont :

• le R407c
• le R410a

Marché

Un total de 53 510 pompes à chaleur domestiques ont été installées en France en 2006 contre seulement un millier en 1997. Ce chiffre permet à ce pays de devenir le second marché européen pour cet appareil derrière la Suède mais devant l'Allemagne et la Suisse. Cependant, dans le pays nordique, 95 % des maisons neuves en sont équipées contre seulement 10 % en France où ,pourtant, le marché double de valeur d'une année sur l'autre^[2].

Le gouvernement français offre un crédit d'impôt à hauteur de 50 % sur le matériel plafonné à une valeur de 16 000 € pour un couple marié et 8 000 € pour un célibataire ou un couple non marié. La date limite prévue de cette aide est fin 2009. Ce crédit d'impôt est maintenant exclusivement lié au seul coût du bloc principal de la pompe à chaleur et hors pose.

source:wikipedia

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Le Moteur Stirling est un moteur à combustion externe, le fluide principal est un gaz soumis à un cycle comprenant 4 phases : chauffage isochore (à volume constant), détente isotherme (à température constante), refroidissement isochore puis compression isotherme. On l'appelait au début moteur à air chaud ^[1].

Robert Stirling a inventé en 1816 le moteur à air chaud mais, pour améliorer son efficacité, il l'a muni d'une modification suffisamment importante pour lui donner un réel développement : un récupérateur entre les deux pistons qui a très considérablement amélioré sa performance.

Peu connu du grand public, mais une référence pour les spécialistes, ce moteur a de nombreux avantages. Il fut répandu au temps de la domination des machines à vapeur qui présentaient parfois le grave défaut d'exploser et de faire des victimes.

Actuellement, on sait construire des machines à air chaud ou moteurs Stirling dont le rendement dépasse de très loin celui des moteurs à explosion.

Modèle Alpha. La source chaude est du côté rouge, la source froide est du côté bleu. Elle est entourée d'un système dissipant la chaleur (dissipateur thermique).

Principe [modifier]

Le principe est relativement simple : le fluide principal qui produit un travail est un gaz (air, hydrogène ou hélium) soumis à un cycle comprenant 4 phases : chauffage isochore (à volume constant), détente isotherme (à température constante), refroidissement isochore puis compression isotherme.

La source chaude du moteur (le piston rouge ci-dessus) est alimentée par une source externe quelconque : combustion externe de dérivés du pétrole, gaz naturel, charbon, bois, mais aussi énergies renouvelables comme l'énergie solaire ou l'énergie géothermique.

Avantages [modifier]

• Produisant peu de vibration grâce à l'absence d'explosion, l'absence de valves qui s'ouvrent et se ferment, l'absence de gaz qui s'échappent. Cela le rend silencieux et réduit les contraintes mécaniques.
• Entretien facile : de par son absence d'échange de matière avec son environnement et l'absence de réaction chimique interne, ce moteur subit moins de source de détérioration qu'un moteur à combustion interne.
• Bon rendement : il peut avoisiner les 40% (soit 80% du maximum du cycle de Carnot), contre environ 35% pour les moteurs à explosion : si la différence de 5 points parait faible, elle signifie quand même près de 15% (5/35) d'économie d'énergie. Les moteurs électriques, dont le rendement peut certes atteindre 95%, ne sont pas comparables, car l'électricité est une forme d'énergie elle-même difficile à stocker et à transporter avec un rendement proche de 100%, ce qui est une limite forte pour certaines applications.
• Réversible. Le cycle de Stirling est réversible : un moteur Stirling entraîné par un autre moteur devient une pompe à chaleur capable de refroidir à - 200°C ou de chauffer à plus 700°C, selon le sens d'entraînement. Ceci, sans employer de gaz avec des propriétés spéciales qui leur confèrent des inconvénients pratiques ou chimiques (comme le fréon des machines frigorifiques d'anciennes générations, destructeur de la couche d'ozone). En pratique, d'ailleurs, c'est la fonction de pompe à chaleur efficace qui permet à quelques machines d'exister.
• Multi-source. Du fait de son mode d'alimentation en chaleur ce moteur peut fonctionner à partir de n'importe quelle source de chaleur (combustion d'un carburant quelconque, solaire, nucléaire, ou encore chaleur humaine)
• Faible pollution. La chaleur venant de l'extérieur il est plus aisé de créer cette chaleur de façon moins polluante que dans bien des moteurs thermiques où la combustion est imparfaite.

Inconvénients [modifier]

• L'étanchéité du ou des pistons est difficile à réaliser. Les très fortes variations de température et la nécessité d'utiliser un gaz le plus léger possible compliquent ce problème.

• Conception délicate. Alors que les moteurs à combustion interne produisent la chaleur directement au sein du fluide, très vite et de façon très homogène, un système Stirling repose sur des transferts thermiques entre le gaz et les échangeurs (les deux sources, le récupérateur), alors que les gaz sont des isolants thermiques où les échanges sont très lents. De plus, il faut minimiser le volume "mort" (contenant du fluide qui n'accomplit pas le cycle et donc ne contribue pas au rendement). Tout cela pose des problèmes de dynamique des fluides, problèmes difficiles à résoudre, à propos des échangeurs, du récupérateur, des tuyaux ou du piston qui permettent le déplacement du gaz au cours du cycle (problèmes de diamètre, de longueur, de turbulences à créer ou éviter, etc.).

• Difficile à commander. La variation de régime de ce moteur est très difficile à réaliser car elle ne peut se faire qu'en agissant sur le taux de compression du fluide de travail.

• Très mauvaise aptitude à produire une puissance et un couple variable. C'est un très gros inconvénient pour la propulsion (automobile, notamment), alors que c'est justement cette application qui a fait la fortune du moteur à combustion interne. Cet inconvénient pourrait se réduire dans le cas d'un "système hybride" (le moteur marche alors à régime constant, la modulation de puissance étant prise en charge par le système électrique), mais ils sont encore rares.

Sur un bateau à hélice à pas variable, ceci n'est cependant pas un inconvénient.

• N'ayant aujourd'hui que peu d'applications en grande série (voir générateurs Whispergen), contrairement au moteur à combustion interne, il est bien plus cher ; de plus, pour la même raison, les industriels ne lui accordent pas le même intérêt en termes de recherche et développement, ce qui ne lui permet pas de combler son retard (en supposant cela possible).

Utilisation [modifier]

Le moteur Stirling a des applications de niches, dans des situations où le coût initial du système n'est pas un inconvénient grave par rapport aux avantages (applications militaires, de recherche, de pointe)

• La principale application commerciale du Stirling est dans le domaine de la réfrigération industrielle et militaire. Il sert de machine pour la liquéfaction des gaz et comme refroidisseur pour les systèmes de guidage militaire infrarouge.

• Il a été utilisé pour une classe de sous-marins suédois, non seulement en raison de son silence, propriété cruciale pour les sous-marins, mais aussi pour la beaucoup plus faible production de gaz imbrûlés nécessaire à l'apport d'un gradient thermique (une différence de température) à un moteur Stirling ; en effet, un sous-marin en plongée ne peut évacuer des gaz qu'en les comprimant à une pression au moins égale à celle du milieu ambiant, nécessitant (et donc gaspillant) une part non négligeable de l'énergie disponible à bord.

• Ce moteur équipe aussi certaines classes de frégates américaines, et des drones.

• La Nasa l'a étudié pour fournir de l'énergie aux satellites et sondes spatiales car son rendement est meilleur que les panneaux solaires. Mais la fiabilité des panneaux solaires (ne comportant pas de pièces mobiles, leurs risques de pannes sont moindres que celles d'un moteur) les fait souvent préférer.

• Le constructeur de cartes mères d'ordinateur personnel MSI a présenté début 2008 un système de refroidissement dont le ventilateur est actionné par un moteur de Stirling utilisant comme source de chaleur l'énergie dégagée par la puce à refroidir.

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