L’ENERGIE SOLAIRE THERMIQUE

Le solaire thermique actif permet de récupérer la chaleur du rayonnement solaire au sein d'un fluide, parfois de l'air, le plus souvent de l'eau, par la mise en œuvre de capteurs solaires. Ces techniques peuvent assurer la production d'eau chaude sanitaire ou d'eau distillée, le chauffage des piscines et des habitations ainsi que le séchage de céréales, par exemple.

La distinction entre le passif et l'actif est parfois controversée, comme dans le cas de murs trombes à air.

Il existe plusieurs types de capteurs solaires thermiques dont nous allons évoquer les principaux.

Un capteur solaire est composé des éléments suivants :

• Le corps opaque qui absorbe le rayonnement solaire en s'échauffant.
• Un système de refroidissement par le fluide caloporteur.
• Un isolant thermique pour les faces non exposées au soleil.
• Une couverture transparente (face avant, exposée au rayonnement) qui assure l'effet de serre.
• Subsidiairement un coffrage étanche à l'eau et un système de support mécanique de l'ensemble.

Le rôle du capteur solaire thermique est d'absorber un maximum d'énergie solaire avec le moins de pertes par refroidissement possible, puis de faire passer cette chaleur dans l'eau de circulation, qui chauffera ensuite l'eau sanitaire.

Il existe trois types bien distincts de capteurs, qui sont :

Les capteurs plans avec vitrage.

Les capteurs à tubes évacués.

Les capteurs plans sans vitrage.

Le capteur plan vitré est le plus utilisé dans notre pays. Il est recommandé pour une plage de températures entre 30 et 80°C, grâce à une assez bonne isolation du verre et du cadre. Il convient particulièrement bien pour le chauffage de l'eau chaude sanitaire et pour le chauffage des locaux.

En général, ces capteurs sont vendus en bloc de 1 ou 2 m², et on branche plusieurs de ces capteurs en série pour obtenir des surfaces totales qui peuvent aller jusqu'à quelques dizaines de mètres carrés.

Fonctionnement

On a affaire au processus dit de l'effet de serre. Les rayons du soleil (d'une longueur d'onde visible, ~0.5 µm) traversent la couverture transparente supérieure, en verre ou en plastique, puis frappent l'absorbeur. Celui-ci étant noir, il absorbe la majeure partie de la lumière reçue et par conséquent il se chauffe. En physique, tout corps chaud émet du rayonnement. Aux températures usuelles, celui-ci se trouve dans le domaine de l'infrarouge (~9µm). A cette longueur d'onde, le verre est parfaitement opaque et réfléchit donc tout cet infrarouge. La chaleur reste ainsi prisonnière du capteur. Un liquide caloporteur circule dans un tuyau dans le capteur r et conduit la chaleur emprisonnée vers le consommateur.

Avantages

Inconvénients

Usage

Comme il utilise le vide comme isolation thermique, il possède un très bon rendement à haute température. Il est recommandé pour des températures de service supérieures à 70°C, ce qui convient pour la production d'eau chaude pour l'industrie ou pour le fonctionnement en régions très froides, notamment en montagne. Il est environ deux fois plus cher qu'un capteur plan vitré.

Fonctionnement

Le capteur est constitué de plusieurs tubes en verre dans lesquels sont placés les absorbeurs. Ils sont montés en série. Les tubes sont mis dans un vide d'air qui permet de réduire les pertes thermiques par convection et par conduction. Le capteur est composé d'un récipient rempli d'une certaine quantité de fluide volatile qui fonctionne comme milieu caloporteur à chaque fois que le fluide s'évapore et se condense. Plus précisément, le rayonnement du soleil fait évaporer le fréon qui se charge de chaleur latente, laquelle est transmise au liquide caloporteur lors de sa condensation. Il existe également des capteurs à tubes évacués qui fonctionnent plus simplement en circuit direct.

Coupe d'un tube évacué

Avantages

Inconvénients

Comme ce capteur n'a pas d'isolation, il ne peut pas fonctionner à haute température. Il est donc recommandé pour des températures de service inférieures à 40°C, ce qui fait de lui le candidat idéal pour le préchauffage de l'eau sanitaire et le chauffage d'une piscine.

Fonctionnement

Ces capteurs sont composés d'un simple absorbeur nu, non isolé et non vitré. Puisqu’on l'utilise à une température proche de la température ambiante, ses pertes thermiques sont faibles et son rendement est bon. C'est pourquoi on peut se passer du vitrage.

Ce type de capteur a été développé vers 1980 par Energie Solaire SA. Il est maintenant disponible chez tous les autres revendeurs de solaire également. Il est formé d'une double tôle d'acier inoxydable dont les formes carrées embouties assurent une irrigation totale de la surface par le liquide caloporteur. On utilise un revêtement absorbant sélectif pour maximiser le rendement.

Ces capteurs peuvent former eux-mêmes le toit d'une maison ou sa façade. Pour le préchauffage de l'eau chaude sanitaire, on utilise un mélange antigel comme liquide caloporteur avec un échangeur de chaleur. De cette manière, on évite le besoin d'une vidange hivernale.

Avantages

Inconvénient

Rendement

On a pu constater suite à des tests que les bons rendements aux basses températures diminuent fortement avec la température. Il faut donc choisir la température de service aussi basse que possible, car en plus, les capteurs à basse température sont meilleur marché que les autres.

En dernier lieu, pour le choix d'un capteur solaire, il s'agit aussi de comparer la durée de vie en plus du prix d'achat et de l'efficacité énergétique. Celle-ci dépend notamment des matériaux utilisés, de la qualité et de leur durabilité.

le système de refroidissement par le fluide caloporteur

Quel que soit le système, le contact entre les tuyaux véhiculant le fluide et la plaque absorbante doit être très intime : soit par emboutissage, soit par soudure. De même, l'espacement entre les tuyaux devra être rigoureusement calculé en fonction du diamètre du tuyau, de l'épaisseur de la plaque et des matériaux employés. Les tuyaux de circulation du fluide en contact avec l'absorbeur sont de préférence placés en parallèle plutôt qu'en serpentin.

L'isolation et le vitrage

Le capteur devant recevoir le rayonnement solaire, il est nécessairement en contact avec le milieu extérieur dont les conditions de température et de climat risquent de perturber considérablement son bon fonctionnement.

Des capteurs nus, c'est-à-dire sans vitrage et sans isolation, sont cependant commercialisés pour le chauffage des piscines. Ce type de capteurs ne peut fonctionner que lorsque l'ensoleillement est important, la température extérieure est élevée et le vent nul, ce qui limite leur utilisation exclusivement aux mois d'été.

Il est primordial limiter les pertes par transmission vers l'extérieur du capteur si on cherche à optimiser les performances de ce dernier. Nombreux sont les produits isolants qui peuvent convenir pour l'isolation arrière et latérale, mais il faut veiller à leur tenue à la température car une coupure de circulation peut faire monter la température intérieure du capteur à plus de 150°C en été.

Vers l'avant, comme le rayonnement solaire doit arriver par l'absorbeur, on ne peut utiliser que des matériaux transparents : verre en simple ou double vitrage, trempé ou non, armé ou non, ou certains matériaux plastiques ayant la propriété de réaliser l'effet de serre. Les inconvénients du verre sont sa fragilité, son poids et son prix élevé en double vitrage. L'inconvénient principal des matériaux plastiques est la dégradation de certaines de leurs propriétés, avec le temps pour certains, ou le prix élevé pour d'autres.

Les pertes par transmission peuvent également être éliminées en plaçant un absorbeur sous vide, ce qui permet d'obtenir un rendement élevé même à hautes températures. Ce type de capteur est d'ailleurs surtout utilisé pour certaines applications demandant des températures plus élevées du fluide caloporteur (jusqu'à 150C).

L'énergie captée par le collecteur solaire et transformée en chaleur est cédée au fluide caloporteur et transférée vers un réservoir de stockage d'énergie.

Ce transfert se fait soit par circulation naturelle, soit par circulation forcée.

Transfert par circulation naturelle de l'eau

Dans ces installations, le transfert d'énergie est basé sur la plus faible densité de l'eau chaude qui confère à celle-ci un mouvement ascendant.

Système direct avec thermocirculation et appoint dans le stockage

L'eau entrant par le bas du capteur est échauffée par l'ensoleillement et sort en partie haute pour rejoindre le ballon de stockage situé au moins 60 cm au-dessus du capteur. Un appoint, sous forme de résistance électrique ou apport quelconque de chaleur via un échangeur, est intégré dans la partie supérieure du stockage alors que l'eau chaude solaire en occupe la partie basse.

Lorsqu'il n'y a pas d'ensoleillement, seule l'eau située dans la partie supérieure du ballon est chauffée par l'appoint. Ceci évite de chauffer toute l'eau à condition qu'il y ait une superposition des couches en fonction de la température. Cette stratification existe dans les ballons bien conçus : l'eau chaude se trouve dans la partie supérieure du ballon et l'eau froide dans la partie inférieure.

Lorsque le capteur est échauffé par le soleil, le fluide caloporteur, c'est-à-dire l'eau sanitaire dans ce cas, se met en mouvement pour rejoindre le ballon. Ce dernier se vide d'une quantité correspondante d'eau froide qui retourne au capteur. En cas d'utilisation d'eau sanitaire, l'eau chauffée par le soleil va monter de la partie inférieure du ballon à la partie supérieure. Si ce système est simple et donc peu coûteux, il présente en revanche quelques inconvénients : une bonne stratification dans le ballon est souvent difficile à réaliser ce qui a pour conséquence qu'une grande partie du stockage est chauffée par l'appoint réduisant la contribution de l'énergie solaire ; de plus, ce système ne peut être utilisé en cas de gel et doit même être purgé ; à l'opposé, en cas de fort ensoleillement, la température peut fortement augmenter dans le ballon ce qui implique de prendre certaines précautions ; le tracé de l'installation doit être aussi simple que possible pour réduire au maximum les pertes de charge dans le circuit (pas de pente inversée ni point haut, peu de coudes,...).

Système indirect avec thermocirculation et appoint hors du stockage

Dans ce cas, il a deux circuits : l'un dit "primaire" contient l'eau qui est échauffée dans le capteur tandis que le circuit "secondaire" est alimenté par l'eau sanitaire à réchauffer.

Le transfert de chaleur se fait par un échangeur situé dans le ballon. L'appoint est situé en dehors du stockage. Comme la circulation n'est pas forcée, on veillera, comme dans le système précédent, à placer le bas du ballon au moins 60 cm au-dessus du haut du capteur et à simplifier au maximum le circuit de canalisations.

Le double circuit a l'avantage d'éviter la purge du système en cas de gel.

Le placement de l'appoint à l'extérieur du ballon permet au capteur de fonctionner librement sans que l'apport réalisé par l'appoint devienne excessif. Par contre, ce type d'installation est plus coûteux et la présence de l'échangeur nécessite que le capteur travaille à plus haute température ce qui diminue son rendement.

Transfert par circulation forcée

L'installation utilise ici, en plus des éléments utilisés dans les systèmes précédents, une pompe de circulation commandée par une régulation de température.

Le rôle de la pompe de circulation est de permettre un transfert plus rapide des calories captées par l'absorbeur vers le réservoir de stockage. L'utilisation de cette pompe permet aussi d'interrompre le transfert de chaleur lorsque l'eau des capteurs n'est pas plus chaude que celle contenue dans le réservoir.

C'est le rôle de la régulation de comparer la température à la sortie du capteur solaire et celle du réservoir de stockage et de commander la pompe de circulation uniquement lorsque la première température est supérieure à la deuxième. En pratique, les régulateurs disponibles sur le marché permettent à l'utilisateur de fixer indépendamment la différence de température à l'enclenchement (entre 5 et 10°C) et au déclenchement de la pompe (entre 2 et 5°C).

Sous les climats à ensoleillement variable, ces systèmes donnent de meilleures performances. Par contre, sous des climats à ensoleillement constant, les systèmes à thermocirculation offrent des performances équivalentes, et seront plutôt conseillés pour leur prix plus faible, leur coût de fonctionnement nul et une meilleure fiabilité.

Il faut encore signaler deux remarques non négligeables :

Sous les climats tempérés, comme le nôtre, il est indispensable que l'installation soit pourvue d'une protection contre le gel des absorbeurs : soit un système de drainage automatique qui vide les absorbeurs lorsque la pompe de circulation ne fonctionne pas, soit un produit antigel mélangé à l'eau du circuit primaire.

Certains circuits d'eau sanitaire imposent de limiter la température de l'eau chaude à 60°C, l'idéal étant qu'une telle limitation soit placée en aval de l'installation solaire de façon à maximaliser les apports de celle- ci ; Lorsqu’une telle limitation de température est placée dans le réservoir de stockage solaire, il y a risque de surchauffe des absorbeurs en été, qui doivent dès lors être conçus en conséquence.

Le stockage de l'énergie est une exigence fondamentale de pratiquement tout système solaire actif. Ce stockage peut se faire sous forme thermique ou chimique.

Les systèmes de stockage sont classifiés comme suit :

Systèmes de stockage thermique dont :

Stockage sous la forme de chaleur sensible ;

Stockage basé sur la chaleur latente ( cachée ) d'un changement de phase du matériau de stockage ;

systèmes de stockage chimique

On peut concevoir les systèmes de stockage à court terme ou à long terme, qui se différencient essentiellement par la taille du système de stockage. Le stockage à long terme ( par exemple, le stockage inter-saisonnier ) est rarement rentable.

Dans ces systèmes, on a toujours besoin d'un réservoir et aussi le plus souvent d'une surface d'échange. Le prix de revient de ces éléments est généralement le facteur qui limite son application économique.