La performance
d'un chauffe-eau solaire est souvent
représenté par un graphique ou un ensemble
de trois variables. Les valeurs présentées
sont la surface totale, la surface utile et
absorbante. En Europe la surface utile
ou absorbante est souvent utilisé, en
Amérique, la surface totale est utilisée. Il
n'importe pas vraiment quelle valeur est
employée, aussi longtemps que vous employez
la même définition. Si vous utilisez la
surface totale pour des comparatifs il faut
toujours prendre cette valeur.
Pour passer d'une formule à l'autre il faut
multiplier par la différence de surface.
exemple; Surface absorbante = 0.6m2, surface
totale =
1.1m2. Si des variables de performance sont
fournis pour la surface totale, multipliez
par 1.83 (1.1/0.6=1.83) pour obtenir les
valeurs de la surface absorbante. Plus la
surface est petite, plus les valeurs
variables de rendement sont hautes.
Les trois variables, pour le capteur solaire
AP, fournis le laboratoire d'essais SPF de
Suisse. (rapport C632LPEN) sont (pour calcul
métrique de la surface absorbante:
Facteur de conversion :
h0 = 0.717
Coefficient de pertes: a1 = 1.52 W/(m2K)
Coefficient de pertes: a2 = 0.0085 W/(m2K2)
En plus des trois variables de rendement
cités plus haut . niveau d'isolation (G) en
Watts/m2,
température ambiante (Ta) et la température
moyenne du collecteur (Tm) doivent être
connus. Ces valeurs procurent la valeur X,
présenté souvent comme T*m, utilisé dans la
formule qui suit.
(d'autres variable de cette
formule sont utilisés mais donnent le même
résultat)
Comment utiliser cette formule?
En s'appuyant sur la température ambiante,
la température moyenne du collecteur et le
niveau d'isolation donne en premier lieu la
valeur x.
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Eg. At 2:00pm, the ambient temperature is 25oC
(77oF), and the average water
temp [(Tin+Tex)/2]
is 50oC (122oF). The
insolation level is 800Watts/m2
(252Btu/ft2).
x = (50-25)/800 = 0.03125
Now enter all the values
into the formula:
h(x) = 0.717 - (1.52*0.03125) -
(0.0085*800*0.031252)
h(x) = 0.717 - 0.0475 - 0.0066 = 0.663
The solar conversion efficiency for that
specific point in time and set of
environmental conditions is 66.3%. That is:
66.3% of the energy provided by the sun is
actually used to heat the water.
Based on the assumption that those three
environmental factors (G, Tm and Ta) are
stable for a period of one hour, then 800 x
0.663 = 530.4 Watts of energy per m2
of absorber area will be used to heat the
water (168Btu/ft2)
530.4Watts is equivalent to 456kcal, which
could heat 100L of water by 4.56oC
(20 Gallons by 10.9oF)
Below is a graph showing the performance
curves for the AP solar collector at three
different insolation levels, from 0 to 80oC
Delta-T. In most cases the Delta-T values
will be in the range of 20-50oC,
with higher values present for high
temperature heating such a for absorption
cooling applications, or during very cold
weather. As can be seen conversion
efficiency is highly dependent on solar
insolation levels, with higher insolation
yielding greater levels of solar conversion.
In reality ambient temperature will
fluctuate, and the manifold temperature will
gradually increase as the water is heated.
Furthermore insolation levels may fluctuate
with intermittent cloud cover. In order to
more accurately calculate energy output per
day/month/year a more complete set of
environmental data must be considered and many
(hourly) performance calculations throughout
the day taken.
Heat pipes might
seem like a new concept, but you are
probably using them everyday and don't even
know it. Laptop computers often using small
heat pipes to conduct heat away from the CPU,
and air-conditioning system commonly use
heat pipes for heat conduction.
The
principle behind heat pipe's operation is
actually very simple.
Structure and Principle
The heat pipe is hollow with the space
inside evacuated, much the same as the solar
tube. In this case insulation is not the
goal, but rather to alter the state of the
liquid inside. Inside the heat pipe is a
small quantity of purified water and some
special additives. At sea level water boils
at 100oC (212oF), but
if you climb to the top of a mountain the
boiling temperature will be less that 100oC
(212oF). This is due to the
difference in air pressure.
Based on this principle of water boiling at
a lower temperature with decreased air
pressure, by evacuating the heat pipe, we
can achieve the same result. The heat pipes
used in AP solar collectors have a boiling
point of only 30oC (86oF).
So when the heat pipe is heated above 30oC
(86oF) the water vaporizes. This
vapour rapidly rises to the top of the heat
pipe transferring heat. As the heat is lost
at the condenser (top), the vapour
condenses to form a liquid (water) and
returns to the bottom of the heat pipe to
once again repeat the process.
At room temperature the water forms a small
ball, much like mercury does when poured out
on a flat surface at room temperature. When
the heat pipe is shaken, the ball of water
can be heard rattling inside. Although it is
just water, it sounds like a piece of metal
rattling inside.
This explanation makes heat pipes sound very
simple. A hollow copper pipe with a little
bit of water inside, and the air sucked out!
Correct, but in order to achieve this result
more than 20 manufacturing procedures are
required and with strict quality control.
Contrôle de qualité
La qualité et le nettoyage du matériel est
extrêmement importante pour la création
d'une pipe de chaleur de bonne qualité. S'il
y a des impuretés à l'intérieur de la pipe
de chaleur ceci affectera la performance. La
pureté du cuivre elle-même doit également
être très haute, contenant seulement des
traces d'oxygène et d'autres éléments. Si le
cuivre contient trop d'oxygène ou d'autres
éléments, ils lessiveront dans le vide
formant une poche d'air dans le dessus de la
pipe de chaleur. Ceci a l'effet d'éloigner
le point le plus chaud de la pipe de chaleur
(de l'extrémité de condensateur de la
chaleur) en bas du condensateur. C'est
évidemment nuisible à la performance, par
conséquent, la nécessité d'employer
seulement du cuivre de très grande pureté .
Souvent les pipes de chaleur
emploient un système de mèche ou de
capillaire pour faciliter l'écoulement du
liquide, mais pour les pipes de chaleur
utilisées dans des capteurs solaires de AP
un tel système n'est pas nécessaire car la
surface intérieure du cuivre est extrêmement
lisse, permettant l'écoulement efficace du
liquide vers le fond. Les pipes de chaleur
de AP ne sont pas installées
horizontalement. Des pipes de chaleur
peuvent être conçues pour transférer la
chaleur horizontalement, mais le coût est
beaucoup plus haut.
La pipe de chaleur utilisée dans les
capteurs solaires de AP comporte deux
composantes en cuivre, l'axe et le
condensateur. Avant l'évacuation, le
condensateur est soudé à l'axe. Notez que le
condensateur a un diamètre beaucoup plus grand
que l'axe, ceci est fait pour fournir une
grande superficie pour que le transfert
thermique puisse se produire. Le cuivre
utilisé est libre d'oxygène, assurant ainsi
une excellente durée et une meilleure
performance.
Chaque pipe de chaleur est testé pour sa
performance de transfert thermique et exposée
aux températures 250oC (482oF) avant être
approuvée. Pour cette raison les pipes de
chaleur de cuivre sont relativement molles.
Des pipes de chaleur qui sont très raides
n'ont pas été exposées à un tel essai
rigoureux de qualité. À cause de ces contrôle
de qualité stricts et la pureté élevée du
cuivre , l'espérance de vie de la pipe de
chaleur est encore plus longue que celle du
tube solaire.
Le fonctionnement du capteur solaire de AP est
très simple!
Absorption Solaire: Le rayonnement
solaire est absorbé par les tubes solaires et
converti en chaleur.
Transfert Thermique Solaire: Les pipes
de chaleur conduisent la chaleur dans le tube
solaire jusqu'à la pipe d'en-tête.
Stockage D'Énergie Solaire: L'eau
circule dans la pipe d'en-tête, par
l'intermédiaire du cycle intermittent d'une
pompe. Chaque fois que l'eau circule dans la
pipe d'en-tête, la température est augmentée
de 5-10oC / 9-18oF. Tout au long de la
journée, l'eau dans le réservoir de stockage
est graduellement chauffée.
Protection contre la gelée.
Quoique le tube soit sous vide
et que le point d'ébullition a été réduit
seulement à 25-30oC (8oF), le point de
congélation est toujours le même que l'eau au
niveau de la mer, 0oC (32oF). Puisque la pipe
de chaleur est placée dans un tube de verre
sous vide, la température durant la nuit
peuvent être aussi basse que -10oC (14oF),
elle ne fera pas geler la pipe de chaleur. Si
la pipe de chaleur gèle une ou deux fois la
pipe de chaleur n'éclatera pas car le cuivre
peut s'étirer, mais la congélation répétée
aura comme conséquence la rupture du fond de
la pipe de chaleur. Afin de protéger la pipe
de chaleur contre cette occurrence, dans les
secteurs qui éprouvent régulièrement les
températures au-dessous du -5oC (22oF), des
pipes de chaleur protégées contre le gel sont
recommandées. L'extrémité inférieure de la
pipe de chaleur a une couverture d'acier
inoxydable qui renforce la pipe, forçant la
gelée à monter vers le haut au lieu de pousser
vers l'extérieur. Cette méthode protège
efficacement la pipe de chaleur contre les
dommages de la congélation répétée dans des
régions froides. Tous les systèmes thermiques
solaires de AP que Distribution Jean-Pierre
Paquette fournis sont fabriqués selon des
caractéristiques comprenant la protection de
gel durant nos hivers durs au Canada et aux
nord des États-Unis.
Distribution Jean-Pierre Paquette
