Cet article vous propose de résoudre des exercices corrigés sur les Capteurs Solaires Thermiques 👇
Les capteurs solaires thermiques sont utilisés pour convertir l’énergie solaire en chaleur, généralement pour produire de l’eau chaude sanitaire ou pour des systèmes de chauffage. Ils sont constitués d’un capteur qui absorbe les rayons solaires et d’un fluide caloporteur qui transporte la chaleur captée.
Cette méthode permet de calculer l’énergie thermique captée par un capteur solaire en fonction de la surface du capteur, du rayonnement solaire disponible, et du rendement du capteur.
Données nécessaires :
A
(en m²)I
(en W/m²)t
(en secondes ou heures)rendement
(en pourcentage)Formule de l’énergie captée :
Energie_captée = rendement * surface * intensité_solaire * temps
Où :
Energie_captée
est l’énergie thermique captée en Joules (ou en kilowattheures après conversion).rendement
est le rendement du capteur (par exemple, 60% = 0.60).surface
est la surface du capteur (en m²).intensité_solaire
est l’intensité du rayonnement solaire (en W/m²).temps
est la durée d’exposition au soleil (en secondes ou heures).Conversion des unités (facultatif) :
Pour convertir l’énergie de Joules en kilowattheures :
1 kWh = 3 600 000 Joules
Un capteur de 4 m² reçoit un rayonnement de 800 W/m² pendant 5 heures. Le rendement est de 65%. Calculez l’énergie thermique captée.
Energie_captée = 0.65 * 4 * 800 * 18000 = 37 440 000 Joules
Energie_captée = 37 440 000 / 3 600 000 = 10.4 kWh
Cette méthode permet de déterminer l’énergie nécessaire pour chauffer un volume d’eau d’une température initiale à une température finale.
Données nécessaires :
V
(en litres ou en kg)T_initial
(en °C)T_final
(en °C)c = 4180 J/kg°C
Formule de l’énergie nécessaire :
Energie_nécessaire = masse * capacité_thermique * différence_température
Où :
masse
est la masse de l’eau (en kg, équivalent au volume en litres).capacité_thermique
est la capacité thermique massique de l’eau (4180 J/kg°C).différence_température = T_final - T_initial
est la différence de température (en °C).Conversion en kilowattheures (si nécessaire) :
1 kWh = 3 600 000 Joules
Chauffer 250 litres d’eau de 20°C à 60°C. Calculez l’énergie nécessaire.
Energie_nécessaire = 250 * 4180 * 40 = 41 800 000 Joules
Energie_nécessaire = 41 800 000 / 3 600 000 = 11.6 kWh
Le rendement global du système prend en compte les pertes thermiques dans le capteur, les tuyaux, et les réservoirs.
Données nécessaires :
Energie_captée
(en kWh ou Joules)rendement_global
(inclut les pertes)Formule pour l’énergie transférée :
Energie_transférée = Energie_captée * rendement_global
Si un capteur capte 10 kWh d’énergie et que le rendement global est de 50%, calculez l’énergie transférée.
Energie_transférée = 10 * 0.5 = 5 kWh
Cette méthode permet de déterminer la surface minimale d’un capteur solaire pour chauffer une certaine quantité d’eau en une journée.
Données nécessaires :
Energie_nécessaire
(en kWh)intensité_solaire
(en kWh/m²/jour)rendement
Formule pour la surface du capteur :
surface = Energie_nécessaire / (rendement * intensité_solaire)
Chauffer 300 litres d’eau de 20°C à 60°C avec un rayonnement solaire de 5 kWh/m²/jour et un rendement de 60%. Calculez la surface du capteur nécessaire.
surface = 13.93 / (0.6 * 5) = 4.64 m²
Ces méthodes vous permettent de résoudre des exercices sur les capteurs solaires thermiques en appliquant les principes de base de l’énergie thermique et du rendement. Elles sont utiles pour dimensionner les systèmes de chauffage solaire, évaluer leur performance, et optimiser l’efficacité énergétique.
Ce guide propose plusieurs exercices corrigés qui vous permettront de mieux comprendre le fonctionnement et l’utilisation des capteurs solaires thermiques, ainsi que les calculs associés à ces systèmes.
Un capteur solaire thermique a une surface de 2 m². Il reçoit un rayonnement solaire moyen de 800 W/m² pendant une durée de 6 heures. Le rendement de ce capteur est de 70%.
Calculez la quantité totale d’énergie thermique captée par le capteur durant cette période.
Données :
Formule pour calculer l’énergie thermique captée :
Energie_captée = rendement * surface * intensité_solaire * durée
Calcul de l’énergie captée :
Energie_captée = 0.7 * 2 * 800 * 21600
Energie_captée = 24 192 000 Joules
Conversion en kilowattheures (kWh) :
Energie_captée = 24 192 000 / 3 600 000 = 6.72 kWh
Réponse : La quantité totale d’énergie thermique captée par le capteur solaire est de 6.72 kWh.
L’énergie captée par un capteur solaire thermique est utilisée pour chauffer un volume d’eau de 150 litres. La température initiale de l’eau est de 20°C, et l’on souhaite porter la température de l’eau à 60°C. La capacité thermique massique de l’eau est de 4 180 J/kg°C.
Calculez l’énergie nécessaire pour chauffer ce volume d’eau et comparez cette énergie avec celle captée par le capteur solaire dans l’exercice 1.
Données :
Formule pour l’énergie nécessaire :
Energie_nécessaire = masse * capacité_thermique * différence_température
Calcul de l’énergie nécessaire :
Energie_nécessaire = 150 * 4180 * 40 = 25 080 000 Joules
Conversion en kilowattheures (kWh) :
Energie_nécessaire = 25 080 000 / 3 600 000 = 6.97 kWh
Comparaison :
Réponse : L’énergie captée par le capteur est légèrement inférieure à celle nécessaire pour chauffer le volume d’eau à 60°C.
Un système de chauffage solaire comporte un capteur solaire thermique ayant un rendement de 70%. Le rendement global du système de chauffage solaire (y compris les pertes thermiques dans les tuyaux et le réservoir) est évalué à 50%.
Si le capteur capte une énergie de 10 kWh en une journée, calculez l’énergie réellement transférée à l’eau après toutes les pertes du système.
Données :
Formule pour l’énergie réellement transférée :
Energie_transférée = Energie_capteur * rendement_global
Calcul de l’énergie transférée :
Energie_transférée = 10 * 0.5 = 5 kWh
Réponse : L’énergie réellement transférée à l’eau après toutes les pertes est de 5 kWh.
Vous souhaitez installer un système de capteur solaire thermique pour chauffer 300 litres d’eau de 20°C à 60°C chaque jour. Le rayonnement solaire disponible dans votre région est de 5 kWh/m²/jour. Le rendement du capteur solaire est de 70%.
Quelle doit être la surface minimale du capteur solaire pour assurer ce chauffage quotidien ?
Données :
Calcul de l’énergie nécessaire pour chauffer l’eau :
Energie_nécessaire = masse * capacité_thermique * différence_température = 300 * 4180 * 40 = 50 160 000 Joules
Conversion en kilowattheures (kWh) :
Energie_nécessaire = 50 160 000 / 3 600 000 = 13.93 kWh
Calcul de la surface minimale du capteur :
surface = Energie_nécessaire / (rendement * intensité_solaire) = 13.93 / (0.7 * 5) = 3.98 m²
Réponse : La surface minimale du capteur solaire doit être de 3.98 m² pour chauffer 300 litres d’eau de 20°C à 60°C chaque jour.
Ces exercices corrigés vous permettent de mieux comprendre les calculs associés aux capteurs solaires thermiques, notamment en ce qui concerne l’énergie captée, le rendement, et les besoins énergétiques pour chauffer de l’eau. Ces principes sont essentiels pour dimensionner un système solaire thermique efficace et comprendre son fonctionnement dans un cadre pratique.
Les systèmes solaires les plus efficaces sont ceux qui maximisent la conversion de l’énergie solaire en électricité ou en chaleur. Voici les principaux types de systèmes solaires utilisés, avec un accent sur leur efficacité et leurs applications :
Les systèmes photovoltaïques convertissent la lumière solaire en électricité grâce à des cellules photovoltaïques (ou panneaux solaires). Les avancées technologiques ont permis de développer des panneaux solaires à haut rendement. Les types les plus efficaces de ces systèmes incluent :
Les systèmes solaires thermiques à concentration captent l’énergie solaire et la concentrent en un point focal à l’aide de miroirs ou de lentilles. L’énergie thermique ainsi générée est souvent utilisée pour produire de l’électricité via une turbine à vapeur.
Les capteurs solaires thermiques convertissent l’énergie solaire en chaleur pour des applications domestiques ou industrielles, comme la production d’eau chaude ou le chauffage des bâtiments.
Les systèmes solaires passifs n’utilisent pas d’équipements mécaniques pour capter ou distribuer l’énergie solaire. Ils sont conçus pour maximiser l’utilisation de la lumière solaire à des fins de chauffage ou d’éclairage dans des bâtiments.
Ces systèmes incluent des technologies de stockage d’énergie pour maximiser l’utilisation de l’énergie solaire même en l’absence de soleil, comme la nuit ou par mauvais temps.
Les systèmes solaires les plus efficaces incluent des technologies à haute performance comme les panneaux photovoltaïques monocristallins, les systèmes solaires thermiques à concentration et les capteurs à tubes sous vide. L’efficacité d’un système solaire dépend de plusieurs facteurs, y compris les conditions météorologiques, le type de technologie, et les besoins spécifiques de l’application. Les systèmes hybrides combinant production électrique et thermique, ainsi que les systèmes de stockage d’énergie, sont des solutions de plus en plus populaires pour maximiser l’efficacité énergétique et l’autosuffisance.
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