Capteur solaire thermique - Définition

Efficacité, rendement

En 2008 la plupart des capteurs solaires thermiques approchent des rendements d'absorption optique de 80%. Les différences de performances et les progrès réalisés se font essentiellement sur la réduction des pertes par convection (isolement par le vide) et par rayonnement (optimisation des corps noirs et des verres). La géométrie des capteurs à tube permet également une surface d'absorption indépendante de l'angle d'incidence transversal du rayonnement solaire. Ces progrès permettent de produire de l'énergie lorsque les conditions d'ensoleillement sont dégradées.

Dans les capteurs thermiques à eau, l'eau circule dans des tubes munis d'ailettes. Pour obtenir un meilleur rendement, l'ensemble est placé dans une boîte vitrée isolante afin d'obtenir une couche d'air isolante. Avec un bon ensoleillement, et si la température ambiante n'est pas trop basse, un simple réseau de tubes à ailettes peut constituer un panneau avec un bon rendement. Les ailettes, qui forment ce qu'on appelle l'absorbeur, sont chauffées par le rayonnement solaire et transmettent leur chaleur à l'eau qui circule dans les tubes.

Les premiers absorbeurs étaient peints en noir mat afin de capter un maximum d'énergie lumineuse. Mais la peinture noire mate a souvent l'inconvénient d'avoir une émissivité importante dans l'infrarouge. Ce qui provoque un rayonnement plus elevé depuis l'absorbeur. Une grande partie de ce rayonnement passe a travers la vitre, le reste la réchauffe et se perd par convection a travers le verre. Ce phénomène augmente les déperditions et nuit au rendement. C'est pourquoi il est intéressant d'utiliser des absorbeurs traités au chrome (par exemple), qui émettent un rayonnement infra-rouge beaucoup plus faible. On parle de surfaces sélectives, elles absorbent bien le rayonnement visible où se situe la grande partie de l'énergie provenant du Soleil (un corps noir à haute température), mais réémettent peu dans l'infrarouge (rayonnement de l'absorbeur, corps à relativement basse température).

De nombreuses autres innovations techniques ont permis d'augmenter le rendement des panneaux thermiques, telles que :

• des vitres traitées pour améliorer la transparence par une faible teneur en fer (de 85% à 95%, si on y ajoute un traitement antireflets);
• des soudures entre la plaque absorbante et le réseau de tuyauterie réalisées par impacts lasers au lieu de sonotrodes (soudure ultrason);

Les capteurs solaires à eau sont utilisés pour le chauffage et/ou pour produire de l'eau chaude sanitaire (ECS) dans un chauffe-eau solaire.

Dans les capteurs thermiques à air, c'est de l'air qui circule et qui 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'ADEME pour les chauffe-eau solaires et la production de chaleur, incite les particuliers à s'équiper en solaire grâce à des aides de l'État.

Applications

Les panneaux solaires thermiques sont employés sous toutes les latitudes pour plusieurs utilisations : chauffage des piscines, chauffage de l'eau sanitaire, chauffage des locaux, climatisation solaire...

Chauffage et eau chaude combinés

Le taux de couverture des besoins cumulés (Chauffage + Eau chaude) peut aller jusqu’à 50%, sous réserve que les besoins en chauffage soient limités (isolation, minimisation des surfaces à chauffer, ...).

Le DT maximal pour ces applications, en France, doit être considéré de 50°C:

Hiver, pour le chauffage: Température du stock (eau) de 50°C et température extérieure de 0°C (stockage dans de l’eau). Le température du stock est limitée par le puisage permanent en énergie que fait le système de opérationnel de chauffage. Dans le cas d’un stockage dans la masse (planchers ou murs), la température du stock (alors considérée dans la structure) ne peut dépasser 30°C dans un plancher ou 40°C dans des murs mais un stock additionnel (eau) peut assurer la récupération de l’excédent.

Eté: Température du stock (eau) de 80°C et température extérieure de 30°C. Stocker de l’eau chaude à une température supérieure à 80°C n’est tout simplement pas réaliste.

Trois conditions doivent être réunies à la construction pour obtenir la couverture solaire totale des besoins:

• Orientation optimale du bâtiment par rapport à l'ensoleillement (dans l'hémisphère nord, orientation Sud), qui permet le placement optimal de panneaux thermiques en quantité suffisante.
• Très bonne isolation thermique du toit, des murs extérieurs et de TOUTES les ouvertures et fenêtres.
• Place suffisante faite à un gros réservoir saisonnier d'eau bouillante placé au sol au centre de la maison.

Les expériences faites en Suisse allemande sont bonnes, avec un recul d'environ 25 ans.

Eau chaude solaire

Le chauffe-eau solaire est la principale utilisation des panneaux solaires thermiques du fait de sa rentabilité et de la faible évolution saisonnière des besoins d'eau chaude, souvent aussi important en été qu'en hiver. Les économies procurées permettent d'amortir l'installation bien avant sa fin de vie.

L'énergie solaire captée dans la journée est stockée sous forme d'eau chaude dans un ballon de quelques centaines de litres (pour une maison). Sous la latitude de Paris, une autonomie de plusieurs jours, en été, est possible avec une surface de capteurs suffisante (1 à 2 m² par personne), et un volume du ballon de l'ordre de 80 à 100 litres par utilisateur. Afin de compenser les insuffisances d'ensoleillement, un appoint est nécessaire. On utilise dans la plupart des cas une résistance électrique raccordée au réseau, avec une régulation adaptée.

Dans les régions chaudes, les capteurs solaires utilisés sont souvent rudimentaires : un réservoir peint de couleur sombre, un long tuyau déroulé sur un toit...

En France, pour les installations thermiques solaires de plus de 50m², un télé-suivi des installations est imposé par l'ADEME en contrepartie des subventions versées. Ce suivi permet de garantir les résultats solaires (GRS) en impliquant dans le projet le constructeur des panneaux, le bureau d'étude ayant conçu l'installation, l'installateur et l'entreprise en charge de la maintenance. Ce suivi est impératif car le dysfonctionnement d'une installation solaire thermique est indolore puisqu'en cas d'arrêt, la production d'eau chaude est assurée par l'appoint.

Sécurité

Dans tous les cas, il est obligatoire de raccorder, en sortie du stock un mitigeur thermostatique de sécurité. En effet, l'eau dans le stock peut atteindre des températures supérieures à 50°C et il serait inconscient de laisser des points de tirage avec de l'eau très chaude: la brûlure est un accident domestique très fréquent (400.000 victimes par an!).

Le tableau ci dessous donne les seuils de temps d'exposition au delà desquels des brûlures apparaissent:

Seuils de brûlure

Température	Enfants jusqu'à 6 ans	Adultes
70°C	Brûlure instantanée	1 seconde
65°C	Brûlure instantanée	2 secondes
60°C	1 seconde	5 secondes
55°C	10 secondes	30 secondes
50°C	2 minutes	5 minutes

Chauffage solaire

En combinant une isolation et une ventilation performante, une conception bioclimatique permettant de capter et redistribuer les apports solaire passivement, et le recours à une installation solaire active pour l'eau chaude sanitaire et le complément de chauffage, il est possible de couvrir près de 50 % des besoins de chauffage et 75 % des besoins thermiques d'eau chaude sanitaire, gratuitement. Une telle couverture est néanmoins obtenue moyennant un investissement élevé (mais il existe des aides financières), et une adaptation de l'architecture du projet.

Chauffage solaire par air

Le choix d'un chauffage solaire par air nécessite une adaptation de l'architecture. Un système de chauffage solaire passif peut ne comporter qu'une grande verrière que l'on occulte par un rideau extérieur lorsque le besoin de chauffage ne se fait pas sentir ou en l'absence de rayonnement solaire pendant la période froide.

Le système de captage peut être une grande surface vitrée placée devant un mur sombre qui emmagasinera la chaleur ou encore un panneau dans lequel circule l'air qui traversera un réservoir empli de galets.

Plancher solaire

Un plancher solaire est constitué d'une dalle chauffée par un réseau de tuyaux noyés dans le sol. La forte épaisseur de cette dalle lui donne une grande inertie thermique permettant de stocker l'énergie captée par les panneaux solaires placés à l'extérieur du local et orientés plein sud, dans l'hémisphère nord. L'énergie solaire est transportée par un fluide caloporteur antigel qui circule dans les panneaux et dans le plancher.

Le plancher solaire est une solution dont la rentabilité est sans doute inférieure à celle d'un chauffe-eau solaire mais qui permet de réaliser des économies de chauffage suffisantes pour amortir l'installation avant qu'elle ne nécessite une opération de maintenance lourde.

De par la grande quantité de béton (matériau le plus usité pour cette application), la crainte d'une montée en température du plancher n'est pas justifiée. En effet, l'auto-limitation est assurée par la masse autant que par les pertes ou la surface des capteurs. Depuis les années 1970, beaucoup d'applications individuelles ont été réalisées suivant ce principe. Les applications collectives ou industrielles sont cependant beaucoup plus rares.

Climatisation solaire

La chaleur captée par les panneaux solaires est dirigée vers une machine à absorption. Cette solution, promise depuis quelques années, reste difficile à mettre au point. Elle sera sans nul doute plus écologique qu'une climatisation classique (réduction des émissions de CO). La technique, complexe à mettre au point, est actuellement installée en phase de prototype sur plusieurs dizaines de sites en Europe. Les caves viticoles de Banyuls ainsi que les bureaux du CSTB à Sophia Antipolis, citées très souvent en exemple, ont été arrêtées depuis quelques années, la maintenabilité des équipements (principalement le champ solaire, composé de capteurs à tube sous vide) n'ayant pas résisté à de longues périodes de stagnation, principalement causées par des arrêts inopinés en période estivale.

Électricité solaire thermique

Plusieurs systèmes permettent de produire de l'électricité à partir de capteurs thermique :

• Un couple parabole/moteur Stirling qui permet de produire un mouvement transformé en électricité par un générateur.
• Des capteurs semi-parabolique ou dit de Fresnel chauffent un fluide à haute température, il sert ensuite à produire de la vapeur qui actionne un turbo-générateur.

Dans ces deux cas, on a plus affaire à des dispositifs de réflexion qu'à des capteurs d'énergie. On déborde là sur le domaine du solaire thermodynamique.

• Des capteurs thermiques associés à des thermocouples produiraient également de l'électricité (par effet Seebeck) mais le rendement serait très faible et dépendant d'un source froide.