Système de chauffage solaire

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Contexte

En une seconde, le Soleil dégage 13 millions de fois l'énergie produite par toute l'électricité consommée en un an aux États-Unis. Seul un millionième de l'énergie du Soleil atteint la Terre, mais cette maigre quantité serait plus que suffisante pour répondre aux besoins énergétiques de toute notre planète. La difficulté relative à extraire l'énergie du Soleil, par rapport aux systèmes qui tirent de l'énergie des combustibles fossiles ou de l'énergie nucléaire, a entravé son développement en tant que source d'énergie répandue. À plus petite échelle et dans de nombreux projets expérimentaux, cependant, l'énergie solaire s'est avérée très efficace pour produire à la fois de l'électricité et de la chaleur.

L'énergie solaire a été explorée pour la première fois à des fins électriques dans les années 1950, lorsque le besoin de produire de l'électricité en continu sur des satellites spatiaux a engendré le développement d'une cellule solaire dans les Bell Telephone Laboratories des États-Unis. Même aujourd'hui, cependant, la meilleure cellule solaire au silicium convertit la lumière du soleil en énergie électrique avec seulement 18% d'efficacité. Pourtant, des expériences ont utilisé l'électricité produite par le soleil avec un grand succès. Un projet très visible axé sur l'énergie solaire est la course automobile internationale annuelle à énergie solaire.

L'énergie solaire s'est avérée plus efficace et a été plus largement utilisée pour les systèmes de chauffage et de refroidissement de l'eau et des locaux. En tant que chauffe-eau, l'énergie solaire est le plus souvent utilisée pour chauffer les piscines. Pour le chauffage des locaux, deux principaux types de systèmes sont utilisés. Un système de chauffage solaire passif admet l'énergie solaire directement dans un bâtiment à travers de grandes fenêtres orientées au sud (dans l'hémisphère nord) et chauffe directement l'espace à l'intérieur (ceci est connu sous le nom de gain direct et est également appelé effet de serre) ou à travers un mur ou le toit qui absorbe le rayonnement solaire, stocke la chaleur qui en résulte et transfère la chaleur dans le bâtiment (c'est ce qu'on appelle le gain indirect). Un système passif peut également utiliser un absorbeur et des composants de stockage (comme un lit de roche) qui ne font pas partie du bâtiment, mais sont contenus dans leur propre chambre séparée. C'est ce qu'on appelle un système à gain isolé.

Les systèmes de chauffage solaire actifs utilisent de l'eau ou de l'air pour transporter la chaleur des capteurs montés du côté sud (encore une fois, dans l'hémisphère nord) du toit d'un bâtiment vers des lits de roches ou des réservoirs d'eau. La chaleur stockée peut être soit admise dans une pièce directement lors de l'utilisation de lits de roches et d'air comme fluide de transfert, soit via des ventilo-convecteurs lorsque l'énergie solaire chauffe d'abord l'eau. La chaleur est ensuite transférée à travers les serpentins pour chauffer l'air. Les systèmes de refroidissement sont également divisés en systèmes passifs et actifs qui utilisent l'air nocturne et la condensation pour refroidir l'air d'un bâtiment.

Différents types de panneaux de capteurs solaires peuvent être utilisés et adaptés au type d'installation à chauffer ou à refroidir. Un collecteur plat, une grande boîte plate avec un dessus en verre et un fond noir absorbant la chaleur contenant des tuyaux parallèles au haut et au bas, est le mieux adapté à un usage domestique. Un collecteur à concentration, fait de matériaux réfléchissants et en forme de cuvette ou de bol, est le mieux adapté à une utilisation industrielle.

Historique

Le soleil a servi de source de chaleur depuis le début des temps, mais le plus ancien documenté l'utilisation d'un système de collecte solaire construit par l'homme remonte à 1776 lorsque le scientifique suisse Horace de Saussure a développé un capteur rudimentaire communément appelée « boîte chaude ». L'astronome Sir John Herschel a utilisé des boîtes chaudes pour cuire des aliments lors d'une expédition en Afrique dans les années 1830, et l'utilisation de l'énergie solaire thermique pour la cuisson et la distillation de l'eau est ensuite devenue courante dans certaines parties de l'Afrique.

Les premiers pionniers américains de la fin des années 1800 utilisaient des casseroles et des poêles noires pour chauffer l'eau lorsqu'ils voyageaient pendant la journée, popularisant ainsi l'utilisation de l'énergie solaire pour chauffer l'eau. L'idée a été largement utilisée dans des régions du pays qui, autrement, devaient importer du combustible pour le chauffage de l'eau. Par exemple, en 1897, près de 30 % des maisons de Pasadena, en Californie, utilisaient des chauffe-eau solaires.

L'énergie solaire a continué à être utilisée modérément tout au long du siècle suivant, mais a gagné en popularité pendant la crise énergétique et pétrolière des années 1970. L'utilisation de l'énergie solaire a diminué à mesure que la crise énergétique s'estompait, mais a de nouveau gagné en popularité dans les années 1990, alors que les populations sont de plus en plus conscientes des dangers pour l'environnement et la santé publique causés par la combustion de combustibles fossiles et l'utilisation de l'énergie nucléaire.

Matières premières

Parce qu'il existe de nombreux types de systèmes de chauffage solaire, il existe une grande variété de matières premières qui peuvent être utilisées dans leur fabrication. Cette entrée se concentrera sur un système passif résidentiel de base et un système actif résidentiel de base.

Un système de chauffage solaire passif nécessite un panneau collecteur plat noir constitué d'une plaque absorbante en acier recouverte de deux feuilles de verre et d'un coussin isolant en fibre de verre ou en mousse de polyuréthane avec un revêtement en feuille d'aluminium, qui agit comme une barrière contre l'humidité . Le système est contenu dans une boîte peu profonde en bois, en acier galvanisé ou en aluminium. Le système nécessite également généralement un bac de stockage de chaleur, contenant des cailloux ou des roches secs. Cette unité emmagasine la chaleur lorsqu'un bâtiment est suffisamment chauffé. De plus, le système nécessite un thermostat différentiel, un système électronique qui permet le contrôle manuel des niveaux de chaleur et donc des températures ambiantes, et un module de traitement d'air composé de conduits de raccordement, de filtres à air, d'un ventilateur et de volets automatiques.

Un système de chauffage solaire résidentiel actif utilisant de l'eau comme agent de stockage nécessite un capteur plat constitué d'une ou deux feuilles de verre ou de plastique transparent avec un tube en métal noir et un coussin isolant en panneau de fibre de verre ou en un matériau isolant similaire. Le système nécessite également des pompes à eau, un réservoir de stockage, des serpentins d'échange de chaleur, un chauffage auxiliaire, un ventilateur, des filtres et une vanne de régulation. Si des roches sont utilisées comme matériau de stockage, un bac isotherme doit être utilisé pour les contenir et, évidemment, les pompes à eau et les serpentins ne sont pas nécessaires.

Tous les systèmes de chauffage solaire utilisent du calfeutrage, des parements en aluminium et des bandes de fermeture, probablement en caoutchouc, en peinture et en bois.

Le processus de fabrication

Collectionneurs

• 1 Les collecteurs plats sont installés sur un toit en pente ou sur des murs verticaux en installant des bacs collecteurs en tôle peu profonds, qui ressemblent à de grands plats de cuisson, à chaque extrémité des collecteurs et en fixant les bacs aux chevrons du toit ou du mur . Le calfeutrage est ensuite appliqué généreusement autour du bord supérieur des bacs collecteurs. Le revêtement est ensuite fixé au toit ou au mur, et toutes les coutures sont calfeutrées. Des fentes de collecteur sont découpées dans le revêtement et un blocage est fixé autour du périmètre du revêtement.
• 2 La plaque absorbante est installée sur la gaine, s'étendant jusqu'au blocage extérieur du collecteur. Les extrémités sont scellées avec des bandes de fermeture d'extrémité, généralement faites de caoutchouc et de calfeutrage. Les bords supérieur et inférieur sont également calfeutrés.
• 3 lattes sont fixées à la plaque absorbante O, et un système de vitrage constitué d'une simple couche de verre sur un toit ou d'une double couche de verre sur un mur est fixé.
• 4 barres de vitrage en aluminium sont installées autour du périmètre du capteur.

Système de traitement et de contrôle de l'air

• 5 Dans un système passif, le système de traitement d'air se compose uniquement de conduits installés entre le capteur et l'espace de vie, ainsi que d'un ventilateur et d'une commande manuelle pour activer le ventilateur. Un système de gain isolé comprendrait également une chambre de stockage séparée et des conduits menant vers et depuis la chambre.
• 6 Dans un système actif, un bac de stockage contenant des roches ou de l'eau est nécessaire pour stocker l'excès de chaleur. Des conduits avec des registres tout ou rien sont installés du collecteur à la maison, du collecteur au bac de stockage et du bac de stockage à la maison. Deux ventilateurs sont installés.

Stockage

• 7 Un système de stockage de roches est constitué d'un bac isolé rempli de petites roches de 2,5 à 12,7 cm de largeur. Un espace suffisant est autorisé entre les roches pour faciliter le soufflage d'air à travers les raccords de conduits à chaque extrémité du bac.
• 8 Un système de stockage d'eau est similaire au système de stockage de roches, utilisant de l'eau plutôt que des roches.

Contrôle qualité

Pour un système de chauffage solaire résidentiel, l'ajustement des fermetures d'extrémité et l'adéquation du calfeutrage sur les capteurs peuvent être testés à l'aide d'une bombe fumigène pour détecter toute fuite. Le test de fumée est effectué avant le vitrage.

Le futur

À mesure que de plus en plus de prototypes d'unités résidentielles et commerciales chauffées à l'énergie solaire et alimentées à l'énergie solaire sont développés, cette source d'énergie montre de sérieux signes de devenir une source de chaleur et d'électricité plus qu'expérimentale. Les groupes environnementaux et de ressources naturelles, ainsi que et souvent en coopération avec le Département de l'énergie des États-Unis et plusieurs organisations internationales, continuent de faire pression pour une plus grande dépendance à l'égard de la chaleur et de l'électricité solaires et développent continuellement de nouvelles utilisations innovantes pour cette source. d'énergie. Alors que les travaux à l'intérieur de l'installation de recherche sur l'énergie solaire du ministère de l'Énergie se concentrent sur l'énergie photovoltaïque, le bâtiment lui-même témoigne du succès de l'énergie solaire. La conception innovante du bâtiment, chargée de fenêtres et semblable à un escalier, permet un éclairage et un chauffage directs du soleil et constitue un exemple du succès de la dépendance à l'énergie solaire et de la prévalence de cette dépendance à l'avenir.

L'American Solar Energy Society démontre l'utilité de l'énergie solaire lors de ses visites annuelles de maisons solaires. L'organisation tient également ses membres au courant des développements législatifs concernant les questions d'énergie solaire. En juillet 1996, par exemple, l'organisation a été active dans le lobbying pour l'adoption d'une législation sur le financement des énergies renouvelables. Bien qu'aucune législation de ce type n'ait été promulguée à ce jour, l'introduction de tels projets de loi indique un intérêt pour les questions d'énergie solaire parmi au moins certains membres du Congrès. L'International Solar Energy Society s'occupe de problèmes similaires au niveau mondial et œuvre pour une plus grande dépendance à l'énergie solaire dans le monde entier.