La conversion thermique
Petit rappel quant à la nature physique du rayonnement solaire pour comprendre sa captation et sa conversion optimale en énergie thermique.
Le rayonnement solaire
Il faut comprendre les lois physique pour pouvoir tirer parti de l’énergie solaire et développer des applications. Tous les corps, quel que soit leur état, émettent de l’énergie sous forme d’ondes électromagnétiques. Cette énergie se manifeste à nous de différentes façons suivant sa longueur d’onde. Plus la température d’un corps est élevée, plus la longueur d’onde du rayonnement émis par ce corps est courte, et plus son niveau énergétique est grand. La loi de Wien permet de déterminer la longueur d’onde pour laquelle le rayonnement énergétique est maximal, et qui ne dépend que de la température superficielle du corps émetteur.
ƛM= 2.898 / T
La loi de Wien permet de déterminer la longueur d’onde pour laquelle le rayonnement énergétique est maximal, et qui ne dépend que de la température superficielle du corps émetteur.
ƛM en microns (10 -6 m) et T en °K (°K = degré Kelvin = degré Celsius + 273)
On constate ainsi que, pour le soleil (T ° = 6.000°,), cette longueur d’onde est de l’ordre de 0,5 10-⁶et que, pour la Terre (T ° = 20°C), elle est de l’ordre de 10 10-⁶m
Le spectre du rayonnement solaire, lorsqu’il atteint l’écorce terrestre, s’étend entre 0,25 et 4 10-⁶m(voir figure), tandis que le rayonnement terrestre réémis se situe entre 5 et 100 10-⁶m.
Parmi ces rayonnements, seuls ceux qui sont compris entre 0,38 et 0,78 10-⁶m sont visibles pour l’œil humain. Au-dessous, se situe l’ultraviolet (UV < 0,1 10-⁶m), alors que, au-dessus, les rayonnements infrarouges s’étendent jusqu’à 1.000 10-⁶m, c’est-à-dire 1 mm de longueur d’onde.
Pourquoi ce rappel ? Parce qu’il est très important de savoir que le rayonnement solaire est majoritairement composé d’ondes que nous ne voyons pas, situées dans l’infra-rouge (55%).
Le spectre visible n’est porteur, lui, que de 42% de l’énergie lumineuse, le solde de 3% étant constitué par l’ultra-violet. En outre, la façon dont un corps reçoit le rayonnement solaire et le transforme plus ou moins bien en énergie thermique est variable selon les longueurs d’onde et selon la matière dont il est constitué.
Réflexion-Absorption-Transmission
Lorsque l’énergie rayonnée rencontre un corps, celle-ci va être en partie réfléchie, en partie absorbée et, pour les corps transparents ou translucides, en partie transmise.
On peut écrire: I = R + A + T
où I est l’énergie incidente, R l’énergie réfléchie, A l’énergie absorbée et T l’énergie transmise (pour les corps opaques, T = 0).
L’importance relative de chaque part est variable selon les longueurs d’onde, l’angle d’incidence avec lequel le rayonnement arrive, mais aussi selon la matière dont le corps est constitué ainsi que sa couleur et son aspect superficiel. Une surface blanche et lisse entraîne une réflexion importante de la lumière visible; au contraire, si elle est noire et mate, c’est l’absorption qui est prépondérante.
Rayonnement -Conduction -Convection
La fraction du rayonnement incident qui a été absorbée par un corps se transforme partiellement ou totalement en chaleur.
Or, lorsque les différentes parties d’un milieu matériel ne sont pas à la même température, il s’y produit des mouvements de chaleur, celle-ci allant des régions où la température est plus élevée vers celles où elle l’est moins.
L’effet de ces migrations de chaleur est d’atténuer les différences de température si bien que, si on ne les entretient pas, par exemple par une combustion ou un rayonnement incident (comme celui du soleil), le milieu tend vers un état d’équilibre thermique pour lequel la température est la même partout. Ces phénomènes de transmission de chaleur se classent en trois catégories: convection, conduction et rayonnement. Comme nous l’avons déjà mentionné, tout corps chauffé émet à son tour un rayonnement généralement dans la gamme des infrarouges (pour les températures usuelles); cette énergie rayonnée dépend de la température du corps mais aussi d’un coefficient propre à la couche superficielle du corps, appelé coefficient d’émissivité superficielle, ceci peur la longueur d’onde considérée de l’énergie rayonnée.
Les corps qui ont la propriété de bien absorber le rayonnement solaire mais de peu réémettre le rayonnement infrarouge dû à leur réchauffement, sont appelés des corps sélectifs.
Le corps chauffé peut également transmettre sa chaleur par conduction, c’est-à-dire par contact de molécule à molécule, sans déplacement relatif à celles-ci, ou par convection, d’un fluide, liquide ou gazeux, qui, suite à son réchauffement, se déplace et accélère ainsi le processus de refroidissement.
C’est sur base de ces trois types de transmission de chaleur que fonctionnent tous les systèmes de récupération d’énergie solaire de type thermique et ce, à partir de la chaleur qui a pu être accumulée dans un corps solide soumis à l’ensoleillement et servant de capteur.
Les deux premiers modes de transmission (convection et conduction) permettent de faire passer la chaleur dans un fluide dit « caloporteur » (porteur de chaleur).
celui-ci transporte l’énergie calorifique, soit pour une utilisation immédiate, soit pour conduire vers un support capable de la stocker de façon indépendante.
le fluide est constitué par de l’air, par de l’eau ou par tout autre type de liquide caloporteur.
INTERACTIONS ENTRE LES RAYONNEMENTS ET DIFFÉRENTES SURFACES
Une partie est réfléchie (fonction de l’angle d’incidence et du coefficient d’absorption);
une grande partie va être absorbée (fonction du coefficient d’absorption); cette partie est alors transformée en chaleur, celle-ci étant elle-même dissipée vers le milieu ambiant suivant les lois physiques de transmission de la chaleur dont une partie sous forme de rayonnement infrarouge (fonction du coefficient d’émissivité superficielle et de la température d’équilibre).
Une partie du rayonnement incident va d’abord être réfléchie (fonction de l’angle d’incidence);
– une partie va être absorbée (fonction de l’épaisseur de la vitre, mais aussi du degré de propreté du vitrage) et réémise de part et d’autre;
– la plus grande partie va être transmise de l’autre côté du vitrage.
Une serre
Le verre possède la propriété de se laisser très bien traverser par les ondes correspondant au rayonnement solaire. En revanche, il se comporte comme un matériau «opaque» à l’égard de la gamme élevée des longueurs d’ondes invisibles émises dans l’infra-rouge par le rayonnement d’un corps qui dissipe sa chaleur absorbée.
Dans une serre, le rayonnement solaire traverse la vitre pour venir frapper une paroi située à l’intérieur.
Celle-ci en absorbe une partie et s’échauffe, puis se met à dissiper cette chaleur, notamment sous forme d’un rayonnement infra-rouge qui repart vers la vitre. Mais, cette fois, celle-ci refuse de le laisser passer. Se comportant à son tour comme une paroi «opaque», elle absorbe le rayonnement infra-rouge, s’échauffe et se met, elle aussi, à redissiper cette chaleur par convection et par réémission de rayonnement infra-rouge.
Comme la vitre a deux faces, cette dissipation de chaleur se passe pour moitié vers l’extérieur, et pour l’autre vers l’intérieur. Grâce à cet «effet de serre», une partie non négligeable de la chaleur initiale du rayonnement solaire, qui sans cela aurait été perdue, se trouve ainsi «piégée» et prisonnière de la serre, et peut donc être récupérée et utilisée.
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Le solaire thermique – Le photovoltaïque