Capteur solaire thermique
Un capteur solaire thermique (ou capteur solaire, ou capteur hélio-thermique, ou encore panneau solaire[n 1],[n 2]) est un dispositif conçu pour recueillir l'énergie solaire transmise par rayonnement et la transférer à un fluide caloporteur (gaz ou liquide) sous forme de chaleur. Cette énergie thermique peut ensuite être utilisée pour le chauffage de bâtiments, pour la production d'eau chaude sanitaire ou encore dans divers procédés industriels.
Ne doit pas être confondu avec Capteur solaire photovoltaïque.
Cette technologie est différente de celle des panneaux photovoltaïques, qui transforment la lumière (les photons) en électricité. Les deux peuvent toutefois être combinées dans des panneaux photovoltaïques et thermiques.
Principes généraux de fonctionnement
Un capteur solaire thermique est un échangeur de chaleur qui transforme le rayonnement solaire en énergie thermique[2]. Il se distingue d'un échangeur classique sur plusieurs points. La densité surfacique du flux énergétique solaire (irradiance) à la surface de la Terre est variable et faible, dépassant rarement, sans système de concentration, 1 100 W/m2. Par ailleurs, le rayonnement solaire incident a une longueur d'onde entre 0,3 et 3 µm, bien plus courte que celle du rayonnement émis par la plupart des surfaces radiatives[2].
Le capteur absorbe le rayonnement solaire incident, le transformant ainsi en énergie thermique qui est ensuite transférée à un fluide caloporteur circulant dans le capteur[3]. Les fluides utilisés peuvent être de l'air, de l'eau ou une huile[3] ou encore un mélange avec du glycol (fluide antigel) notamment pour les systèmes à circulation forcée[4]. Des matériaux à changement de phase (les sels fondus par exemple) sont aussi utilisés pour les systèmes à concentration[5]. L'énergie du fluide caloporteur est ensuite utilisée directement ou stockée pour un usage ultérieur[6]. Le transfert thermique se fait par convection, naturelle ou forcée en fonction du système considéré[7].
Types de capteurs
Il existe différents types de capteurs solaires thermiques. Dans la littérature ils sont généralement classés dans deux grandes familles, les capteurs sans concentration (stationnaires) et les capteurs à concentration équipés d'un système de suivi (traqueur) de la course du Soleil[3],[8],[9]. Les capteurs sur traqueur se différencient par ailleurs selon que le suivi s'effectue suivant un axe ou deux axes. Les caractéristiques d'un capteur déterminent sa plage de températures de fonctionnement et donc les applications pouvant être couvertes[3].
Capteurs plans
Les capteurs plans sont certainement la technologie la plus ancienne, la plus fondamentale et la plus étudiée pour les applications basses températures (eau chaude sanitaire, chauffage)[10],[11].
Un capteur plan est un système relativement simple composé d'un absorbeur, une surface « noire » absorbant l'énergie solaire et munie de moyens pour transférer l'énergie absorbée vers le fluide caloporteur, ainsi que d'une couverture protégeant l'absorbeur tout en étant transparente au rayonnement solaire. La face arrière de l'absorbeur ainsi que les côtés de la boîte où le tout est inséré sont isolés pour limiter les pertes thermiques par conduction. Dans les capteurs à circulation de liquide le fluide caloporteur circule dans des tubes, remplacés par des conduits dans les capteurs à air[2],[12].
La couverture
La couverture du capteur a pour objectif de transmettre un maximum du rayonnement solaire incident et de limiter les pertes thermiques par radiation dans le domaine infrarouge (effet de serre) et par convection[8]. La couverture protège par ailleurs l'absorbeur, et notamment son revêtement sélectif (voir ci-dessous) des intempéries, qui pourraient entraîner son oxydation notamment[13].
La couverture est composée d'une ou plusieurs surfaces de verre ou autres matériaux possédant une transmittance élevée pour le rayonnement solaire (rayonnement à ondes courtes entre 0,3 et 3 µm) et une transmittance faible pour le rayonnement infrarouge (rayonnement à ondes longues entre 5 et 50 µm) émis par l'absorbeur[8]. Le verre est un candidat idéal pour réaliser la couverture, de par sa transmittance élevée pour le rayonnement à ondes courtes, son coût faible et sa grande stabilité à long terme[14]. Divers traitements peuvent lui être appliqué afin d'améliorer ses propriétés optiques et notamment son opacité au rayonnement infrarouge[14]. Le verre trempé à faible teneur en fer a une transmittance élevée pour le rayonnement solaire (entre 0,85 et 0,9 en incidence normale[15]) et compte parmi les vitrages solaires les moins chers du marché (8 à 10 €/m2 en 2014). Des verres haute performance avec traitement antireflet sont aussi sur le marché pour des prix variant entre 15 et 20 €/m2 en 2014[14].
L'absorbeur
Le fluide caloporteur, très souvent de l’eau mélangée à un anti-gel alimentaire de type mono-propylène glycol, passe dans un serpentin ou dans des tubes en « harpe » plaqué en sous face[C'est-à-dire ?] d’une feuille absorbante en cuivre ou aluminium, le tout placé derrière une vitre, dans un caisson isolé de laine minérale et/ou de mousses composites polyuréthanes (polyisocyanurate) ; la vitre est transparente à la lumière du soleil mais opaque aux rayons infrarouges de l’intérieur, ce qui piège la chaleur.
Dans les capteurs thermiques, le liquide circule dans des tubes soudés, collés ou clipsés sur une plaque noire appelée absorbeur. 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. L'absorbeur est chauffé par le rayonnement solaire et transmet sa 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 élevé depuis l'absorbeur. Ce rayonnement réchauffe la vitre, qui dissipe une partie de cette énergie à l'extérieur, par convection et rayonnement. 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).
Si l’eau ne circule pas, la température interne au capteur monte jusqu’à ce que les déperditions soient égales à l’énergie reçue, ce qui peut entraîner l’ébullition de l’eau. Cette température peut être très élevée en été, l’après-midi, quand les besoins de chauffage sont déjà couverts. On appelle température de stagnation la température de l’absorbeur dans cette situation.
De nombreuses autres innovations techniques ont permis d'augmenter le rendement des panneaux thermiques, telles que :
- des vitres ayant une faible teneur en fer pour améliorer la transparence (de 85 % à 95 %, si on y ajoute un traitement antireflet) ;
- 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 produits.
- Les capteurs non-vitrés
- par exemple les capteurs moquette, d'une structure très simple (réseau de tubes plastiques noirs, le plus souvent en EPDM) utilisés essentiellement pour le chauffage de l'eau des piscines, en été ; ou les capteurs non-vitrés à revêtement sélectif, à irrigation totale, en acier inoxydable, utilisés essentiellement pour le préchauffage d'eau chaude sanitaire, le chauffage basse température plancher chauffant et le chauffage des piscines.
Capteurs à tubes sous vide
Le fluide caloporteur circule à l'intérieur d'un tube sous vide simple ou double. Le vide améliore l’isolation contre les pertes en convection, par rapport au capteur précédent. Deux principes sont rencontrés : le premier principe est le même que pour les capteurs plans vitrés, le fluide caloporteur parcourt le tube en aller et retour pour recueillir la chaleur ; le second est plus poussé technologiquement, il fait appel à un caloduc, utilisant un second fluide caloporteur restant dans le tube (voir article détaillé, à faire dans tube sous vide).
Marché et évolutions technologiques
Le projet européen SCOOP[16] (de l'anglais solar collectors made of polymers) a pour objectif de promouvoir la conception et la commercialisation de capteurs en polymères pour l'ensemble des usages afin d'abaisser le coût du solaire thermique. Dans le cadre de ce projet, un consortium mené par l'institut allemand Fraunhofer ISE a inauguré en octobre 2014 un lotissement équipé de capteurs en plastique, fabriqués par le Norvégien Aventa Solar, à Mortensrud près d'Oslo (Norvège). Ces capteurs intégrés à la toiture de 34 maisons passives fournissent 62 % de leurs besoins en eau chaude sanitaire et chauffage. Rapides et faciles à installer, ils remplacent des éléments de façade ou de toiture. Le coût d'installation représente 30 à 40 % du coût des systèmes et l'intégration des capteurs au bâtiment permet d'économiser sur les matériaux d'enveloppe, du moins pour la construction neuve[17].
Dans le monde, la grande majorité (65 %) des installations solaires est pourvue de capteurs à tube sous vide. Cela s'explique par la part importante de la Chine sur le marché du solaire thermique (plus de 67 % de la surface totale installée dans le monde[20]). Dans ce pays, 93 % des capteurs sont de type tubulaire sous vide. La Chine est un marché unique en son genre, la part des capteurs à tube sous vide dans les autres régions du monde ne dépassant pas 10 %[19]. En Europe, ce sont les capteurs plans vitrés qui dominent (86 %), alors qu'en Amérique du Nord 88 % des capteurs installés sont de type plan non vitré.
Les capteurs à eau dominent par ailleurs très largement le marché. En 2012, les capteurs à air ne représentaient que 0,6 % de la capacité totale mondiale installée[21].
Ces différences importantes s'expliquent par plusieurs facteurs, tels que le type d'application, le climat, les habitudes des installeurs, l'historique de la production industrielle des capteurs dans chacun des pays considérés, etc.
Pays | Capteurs à eau | Capteurs à air | Total [MWth] | |||
---|---|---|---|---|---|---|
Non vitrés | Plans vitrés | À tubes sous vide | Non vitrés | Vitrés | ||
Chine | 12 178 | 168 212 | 180 390 | |||
États-Unis | 14 311 | 1 853 | 82 | 67 | 14 | 16 327 |
Allemagne | 410 | 10 095 | 1 282 | 22 | 11 809 | |
Turquie | 9 580 | 1 268 | 10 848 | |||
Brésil | 1 620 | 4 163 | 5 783 | |||
Australie | 3 045 | 2 036 | 48 | 196 | 5 | 5 329 |
Inde | 3 522 | 994 | 14 | 4 530 | ||
Japon | 3 065 | 58 | 352 | 3 475 | ||
Autriche | 391 | 3 003 | 56 | 1 | 3 451 | |
Israël | 22 | 2 902 | 0 | 2 924 | ||
Total monde | 22 670 | 70 983 | 174 061 | 1 142 | 447 | 269 303 |
Pays | Capteurs à eau | Capteurs à air | Total [m²] | |||
---|---|---|---|---|---|---|
Non vitrés | Plans vitrés | À tubes sous vide | Non vitrés | Vitrés | ||
Chine | 17 396 732 | 240 303 268 | 257 700 000 | |||
États-Unis | 20 444 848 | 2 647 521 | 117 232 | 95 239 | 20 000 | 23 324 841 |
Allemagne | 585 600 | 14 422 000 | 1 832 000 | 30 720 | 16 870 320 | |
Turquie | 13 685 943 | 1 811 970 | 15 497 913 | |||
Brésil | 2 314 735 | 5 947 321 | 8 262 056 | |||
Australie | 4 350 000 | 2 908 000 | 68 000 | 280 000 | 7 200 | 7 613 200 |
Inde | 5 031 000 | 1 420 000 | 20 200 | 6 471 200 | ||
Japon | 4 378 220 | 83 340 | 502 949 | 4 964 509 | ||
Autriche | 558 601 | 4 289 605 | 79 542 | 1 908 | 4 929 656 | |
Israël | 31 817 | 4 145 000 | 550 | 4 177 367 | ||
Total monde | 32 386 356 | 101 404 238 | 248 658 408 | 1 631 110 | 638 628 | 384 718 741 |
Les capteurs solaires peuvent se présenter sous diverses formes, notamment sous formes de panneaux posés au sol ou sur une toiture. Il est également possible de remplacer les tuiles d'un toit par des tuiles spéciales faisant office de capteur, ou de capter la chaleur directement sous des ardoises ordinaires. Le rendement de ces « tuiles solaires » est généralement plus faible que celui des panneaux ordinaires mais elles peuvent être préférées pour des raisons esthétiques. Le rendement dépend notamment du matériau utilisé, de la forme des tuiles, du revêtement utilisé et du traitement de la face arrière de l'absorbeur.
Efficacité et rendement
La mesure de l’efficacité du capteur est le rapport entre la puissance thermique qu'il fournit au fluide caloporteur et la puissance du rayonnement solaire qui arrive sur la surface utile de ce capteur, ce rapport est nommé le rendement du capteur.
La puissance fournie correspond à la puissance transformée en chaleur dans le capteur, moins les pertes : rayonnement infrarouge renvoyé à l’extérieur, chaleur dissipée à l’extérieur.
Le meilleur rendement est obtenu quand les pertes sont nulles, c’est-à-dire quand la température du capteur est inférieure ou égale à la température ambiante, malgré l’éclairement. Ce cas est par exemple celui où la température d’utilisation est inférieure à la température ambiante extérieure, tel que le chauffage d’une piscine par temps chaud. À l’extrême opposé, le rendement est nul quand le fluide caloporteur est arrêté, la température atteint alors la température de stagnation, où les pertes sont égales à la puissance transformée en chaleur. Cette température permet de juger de la qualité d’isolation du capteur, mais elle ne permet pas de juger des performances du système intégrant ce capteur.
Les normes européennes ont retenu les paramètres suivants pour définir le rendement surfacique η (êta) d’un capteur[25] :
- l’éclairement (ou irradiance) sur la surface utile du capteur (incluant le rayonnement direct, qui vient directement du soleil, et le rayonnement diffus) notée G en W/m². Cette irradiance dépend de l’angle d’arrivée des rayons directs sur le capteur.
- la température moyenne Tm entre la température d’entrée du fluide caloporteur et sa température de sortie,
- la température ambiante extérieure Ta (mesurée à l’ombre).
On peut écrire l’expression :
- Puissance de sortie en W = puissance arrivant sur Surface utile en W . η
Ou encore :
- Puissance de sortie en W = G en W/m² . Surface utile en m² . η
Si on appelle η0 la valeur du rendement quand les températures intérieure et extérieure sont égales, et donc que les pertes sont nulles, on peut écrire :
- Puissance de sortie = Surface utile.(G.η0 - U.DT)
Avec :
- DT = (Tm – Ta) en K. C’est la différence entre la température moyenne du capteur, et la température ambiante à l’extérieur du capteur.
- U est le coefficient de déperditions thermiques en W K/m². Ce coefficient est à peu près constant, il dépend un peu de DT, et aussi un peu du vent.
Ainsi :
- η = η0 - U.DT / G
Courbes de rendement
Les organismes de tests tels que les laboratoires européens (SPF, ICIM, CSTB, TUV, ITW...) effectuent, à la demande des fabricants, des tests de performances. Ils mesurent entre autres les puissances de sortie, et déterminent les courbes reliant le rendement au paramètre DT. Ils déterminent, pour représenter approximativement ces courbes, trois paramètres[26] :
- η0, le rendement optique, qui représente le rendement à DT=0, et caractérise la qualité de la transparence et de l’absorption. Plus il est près de 1, meilleur est le capteur pour ce critère.
- a1, (en W/K.m²), coefficient du premier ordre, représentant les pertes à pourcentage constant : conduction et convection essentiellement. Plus ce nombre est petit, plus ces pertes sont faibles et meilleur est le capteur pour ce critère.
- a2, (en W/K².m²), coefficient du deuxième ordre, représentant les pertes dont le pourcentage augmente avec la température : rayonnement infrarouge essentiellement. Plus il est petit, plus les pertes par rayonnement sont faibles, et meilleur est le capteur pour ce critère.
Le rendement s’écrit alors :
- η = η0 - a1.DT/G - a2.DT²/G
et la puissance de sortie :
- P = surface utile . (G.η0 - a1.DT - a2.DT²)
Ces trois paramètres dépendent de la définition de la surface utile qui est choisie : le plus couramment, la surface d’absorbeur, ou la surface d’entrée, ou encore la surface hors tout.
- la surface d’absorbeur est celle qui contribue directement à l’échauffement du fluide caloporteur : absorbeur proprement dit, et tuyauteries absorbantes exposées à l’éclairement. C’est simple pour un capteur plan, c’est plus délicat avec les capteurs à tube dont l’absorbeur n’est pas toujours plan, surtout en présence de réflecteurs.
- la surface d’entrée du capteur est la surface extérieure qui laisse entrer la lumière : c’est simple pour un capteur plan, c’est la surface de la vitre. Pour un capteur à tubes, en général on prend la longueur éclairée et le diamètre d’un tube, multiplié par le nombre de tubes.
- la surface hors tout du capteur, qui représente son encombrement. Ce choix n’est pas très pertinent pour représenter le rendement, l’encombrement étant rarement un facteur limitant d’utilisation.
Les laboratoires fournissent donc un jeu de valeurs pour chaque définition de surface utile qu’ils ont appliquée.
Les valeurs typiques en 2011-2012 pour les capteurs vitrés et à tubes (tirées des résultats des tests[27] du laboratoire suisse SPF (Solartechnik Prüfung Forshung) sont les suivantes (pour les surfaces d’absorbeur) :
- η0 vaut autour de 0,8,
- a1 vaut autour de 1,5 pour les tubes, de 4 pour les plans,
- a2 varie largement de 0,001 à 0,15 et plus, aussi bien pour les tubes que pour les plans.
Les différences de performances et les progrès réalisés se font essentiellement sur la réduction des pertes par convection (isolation) et par rayonnement (optimisation des corps absorbants et des verres).
Voici des exemples typiques de courbes de rendement des trois types de capteurs, la surface utile étant la surface d’absorbeur, obtenues avec une application de l’ESTIF, European Solar Thermal Industry Federation[26].
Les deux graphiques correspondent aux mêmes trois capteurs types, soumis à deux niveaux d’éclairement.
On peut tirer de ce graphique les conclusions suivantes :
- Le capteur non vitré est capable de réchauffer efficacement de l’eau froide, pour l’amener aux environs de la température ambiante (DT proche de 0). Dès que la température de fluide s’élève, ou que l’éclairement baisse, le rendement chute fortement.
- le capteur vitré améliore fortement le rendement par rapport au non vitré. Il atteint typiquement un DT de 50 °C par bon ensoleillement, mais chute rapidement quand l’éclairement baisse.
- le capteur à tube a souvent un léger handicap à DT faible, mais ses pertes sont inférieures et il permet de conserver un bon rendement pour des fortes températures. Quand l’éclairement baisse, son rendement baisse nettement moins vite que celui du capteur plan vitré.
Voici des exemples de courbes de rendements de capteurs réels, dont les paramètres ont été déterminés par le laboratoire SPF[27] entre décembre 2011 et décembre 2012 (basés sur la surface d’entrée). Ils permettent d’illustrer et de conforter les exemples typiques précédents.
Productivité des capteurs solaires thermiques à fluide caloporteur
Voici des exemples de productivité, définie comme l’énergie totale effectivement extraite par m² de surface d’entrée de capteur en un an, pour un système de chauffage donné. Ils sont calculés par le SPF[27] pour des applications types en Suisse, l’une pour l’eau chaude sanitaire à 50 °C, où l’on vise une couverture à 60 % des besoins, l’autre pour le chauffage de locaux, où l’on vise un taux de couverture de 25 % des besoins.
Les capteurs concernés sont des capteurs réels mesurés et publiés par le SPF en 2010, 2011 et 2012. On a pris comme paramètre d’abscisse le rendement η0. La corrélation entre le coefficient de rendement et la productivité apparaît par la pente générale de répartition des points.
Dans l’application ECS, il apparaît que les capteurs plans (losanges bleu foncé) sont équivalents en productivité à la majorité de ceux à tubes (losanges jaunes). Par contre, en ce qui concerne le chauffage, les capteurs plans (carrés mauves) sont équivalents aux tubes au rendement le plus faible (carrés bleu clair) et les bons capteurs à tubes sont nettement plus efficaces (typiquement 500 kWh/m2, contre 350 pour les plans).
Il faut bien noter que la productivité n’est pas une caractéristique des seuls capteurs, elle découle aussi de la conception du système de chauffage, de sa réalisation, de la météo, et de l’utilisation effective du système. Ce n’est pas non plus une caractéristique de performance intéressant directement l’utilisateur, par exemple la productivité sera maximale en été, là où les besoins sont souvent minimaux. L’utilisateur cherchera plus souvent à réduire sa dépense de chauffage, ou sa consommation d’énergie fossile.
Applications
Le type d’application peut aller du chauffage d’une piscine, avec un capteur léger, à une centrale solaire thermodynamique produisant de l’électricité.
À travers le monde, la grande majorité des installations sont utilisées pour produire de l'eau chaude sanitaire pour des maisons individuelles. Fin 2012, 78 % des installations en service étaient destinées à cet usage[18]. Les capteurs solaires sont aussi utilisés pour des systèmes solaires combinés, SSC (eau chaude sanitaire et chauffage de bâtiment), pour le chauffage de piscines, pour des centrales de chauffage solaire, pour des procédés industriels ou encore pour de la climatisation solaire.
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 importants 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 50 à 75 litres par utilisateur. Afin de compenser les insuffisances d'ensoleillement, un appoint est nécessaire. Il peut être fourni par un chaudière (bois, fuel, gaz...) ou par 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 50 m2, 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 chargée 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 dangereux 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[28] :
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 et eau chaude combinés
Le taux de couverture des besoins cumulés (chauffage + eau chaude) peut aller au-delà de 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). La température du stock est limitée par le puisage permanent en énergie que fait le système 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.
- Été
- température du stock (eau) de 80 °C et température extérieure de 30 °C.
Trois conditions doivent être réunies à la construction pour obtenir la couverture solaire totale des besoins :
- Orientation des capteurs par rapport à l'ensoleillement dans l'hémisphère nord : orientation Sud +/- 25° et inclinaison de 35 à 70° ; l'écart de rendement dans ces conditions est faible et limité à 15 % soit pour un taux d'économie de 45 % une variation inférieure à 7 %.
- Un chauffage solaire peut s'installer sur des habitations récentes ou anciennes.
- Place suffisante faite à un ou deux ballons d'eau placés selon les cas soit dans une chaufferie, garage soit dans la zone chauffée.
Les retours d'expériences faites en France, Suisse et Allemagne sont bons avec un recul d'environ 30 ans.
Pour l'habitat neuf (très bien isolé), la consommation d'énergie pour chauffer l'eau chaude est du même ordre que celle du chauffage. Un chauffage solaire est alors très efficace car il peut couvrir une très grande partie des besoins d'eau chaude et une bonne partie des besoins de chauffage. Le taux d'économie d'énergie augmente et peut aller jusqu'à 70 %[29]. Des émetteurs basses températures sont à privilégier pour maximiser le rendement solaire : radiateurs basses températures ou mieux, plancher chauffant et mur chauffant à basses températures.
Chauffage solaire
Pour des maisons bien isolées, l'énergie solaire peut couvrir près de 50 % des besoins de chauffage et 75 % des besoins thermiques d'eau chaude sanitaire, soit une économie globale allant jusqu'à 70 %. En rénovation, le chauffage solaire peut couvrir jusqu'à 50 % des besoins de chauffage et d'eau chaude. Le retour sur investissement est similaire en rénovation et dans le neuf car dans l'habitat neuf la surface des capteurs solaires est plus petite (7 % de la surface habitable contre 10 % en rénovation) ; la productivité des capteurs est alors similaire.
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 direct
Un plancher solaire direct 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 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 direct est une solution dont la rentabilité est presque deux fois supérieure à celle d'un chauffe-eau solaire et qui permet de réaliser des économies de chauffage et d'eau chaude importantes. La productivité moyenne mesurée par l'Institut national de l'énergie solaire d'un chauffage solaire est de l'ordre de 445 kWh/m2/an[30] au lieu de 270 kWh/m2/an pour un chauffe eau solaire individuel[31]. De plus, le prix installé par m² de capteur d'un chauffage solaire est en moyenne 10 % moins cher qu'un chauffe-eau solaire.
Grâce à 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 se développent depuis quelques années.
Climatisation solaire
La chaleur captée par les panneaux solaires est dirigée vers un réfrigérateur à absorption de gaz. Cette solution reste difficile à mettre au point. Elle sera sans nul doute plus écologique qu'une climatisation classique (réduction des émissions de dioxyde de carbone). 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-sur-Mer 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 électrique.
- Des capteurs semi-parabolique ou dits « de Fresnel » chauffent un fluide à haute température ; il sert ensuite à produire de la vapeur qui actionne un turbo-alternateur.
Dans ces deux cas, on a plus affaire à des dispositifs de réflexion qu'à des capteurs d'énergie, qui peuvent concerner des centrales solaires thermodynamiques.
À une autre échelle, des capteurs thermiques associés à des thermocouples peuvent aussi produire de l'électricité (par Effet Seebeck) mais avec les technologies disponibles, le rendement serait très faible et dépendant d'une source froide. Des découvertes récentes concernant certains oxydes laissent cependant entrevoir des progrès futurs dans ce domaine[32],[33],[34].
Incitations étatiques
Notes et références
Notes
- La norme ISO 9488 accepte les dénominations capteur solaire, capteur solaire thermique et capteur, ainsi que panneau solaire et panneau. L'usage du terme panneau solaire est cependant déconseillé afin d'éviter la confusion avec les panneaux photovoltaïques[1].
- Le terme « collecteur » est un anglicisme, provenant du terme anglais solar collector.
Références
- ISO 9488 2001, p. 16.
- Duffie et Beckman 2013, p. 236.
- Kalogirou 2004, p. 240.
- Duffie et Beckman 2013, p. 488.
- Müller-Steinhagen et Trieb 2004.
- Kalogirou 2004, p. 270.
- Duffie et Beckman 2013, p. 478.
- Tian et Zhao 2013, p. 539.
- Evangelisti et al. 2019.
- De Winter 1990, p. 29.
- (en) Lucas Witmer, « 3.1 Overview of Flat Plate Collectors », sur www.e-education.psu.edu, n.d. (consulté le ).
- Kalogirou 2004, p. 241.
- Giovannetti et al. 2014, p. 55.
- Giovannetti et al. 2014, p. 52-53.
- Kalogirou 2004, p. 242.
- Site du projet SCOOP.
- Technologie - Des capteurs thermiques en plastique à Oslo, Observ'ER, 16 décembre 2014.
- Solar Heat Worldwide, p. 33-34
- Solar Heat Worldwide, p. 31-32.
- Solar Heat Worldwide, p. 28.
- Solar Heat Worldwide, p. 9-10.
- SHWW 2014, p. 50.
- SHWW 2017, p. 44 et 73.
- SHWW 2020, p. 48, 75 et 76.
- « Rapport de l'Ademe »(Archive.org • Wikiwix • Archive.is • Google • Que faire ?) [PDF], p. 23 et suiv.
- Paramètres de performances des capteurs pour le label européen Solar Keymark, estif.org
- Catalogue des capteurs on line
- Commission de la sécurité des consommateurs (avis adopté sur le rapport du Dr Philippe Gerard), « Avis relatif aux risques de brûlures [...] », sur Securiteconso.org, (consulté le )
- « mesures Inès »(Archive.org • Wikiwix • Archive.is • Google • Que faire ?), sur Institut national de l'énergie solaire.
- Projet Solcombi2 2010, Institut national de l'énergie solaire (consulté le 13 décembre 2015).
- TélésuiWeb - Rapports 2014 et 2015 « Copie archivée » (version du 6 août 2018 sur l'Internet Archive), Institut national de l'énergie solaire (consulté le 13 décembre 2015).
- Non trouvé le 13 décembre 2015, sur bulletins-electroniques.com, 27 mars 2015
- Chalcogénures et oxydes de molybdène, sur defense.gouv.fr, consulté le 13 décembre 2015
- BE ADIT Italie numéro 136 (12/05/2015) - Ambassade de France en Italie / ADIT s’est arrêté fin juin 2015.
- ADEME : Plan Soleil
Voir aussi
Ouvrages
- [De Winter 1990] De Winter, Francis, Solar collectors, energy storage, and materials, MIT Press, (ISBN 0-262-04104-9 et 978-0-262-04104-1, OCLC 22206465)
- [Duffie et Beckman 2013] (en) Duffie, John A. et Beckman, William A., Solar engineering of thermal processes, Wiley, , 4e éd. (ISBN 978-1-118-41812-3, 1-118-41812-3 et 978-1-118-67160-3, OCLC 836402985)
Articles de revues scientifiques
- [Colangelo et al. 2016] (en) Gianpiero Colangelo, Ernani Favale, Paola Miglietta et Arturo de Risi, « Innovation in flat solar thermal collectors: A review of the last ten years experimental results », Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 57, , p. 1141–1159 (DOI 10.1016/j.rser.2015.12.142, lire en ligne)
- [Evangelisti et al. 2019] (en) Luca Evangelisti, Roberto De Lieto Vollaro et Francesco Asdrubali, « Latest advances on solar thermal collectors: A comprehensive review », Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 114, , p. 109318 (DOI 10.1016/j.rser.2019.109318, lire en ligne)
- [Giovannetti et al. 2014] (en) F. Giovannetti, S. Föste, N. Ehrmann et G. Rockendorf, « High transmittance, low emissivity glass covers for flat plate collectors: Applications and performance », Solar Energy, vol. 104, , p. 52–59 (DOI 10.1016/j.solener.2013.10.006, lire en ligne, consulté le )
- [Kalogirou 2004] (en) Soteris A. Kalogirou, « Solar thermal collectors and applications », Progress in Energy and Combustion Science, vol. 30, no 3, , p. 231–295 (DOI 10.1016/j.pecs.2004.02.001, lire en ligne)
- [Tian et Zhao 2013] (en) Y. Tian et C.Y. Zhao, « A review of solar collectors and thermal energy storage in solar thermal applications », Applied Energy, vol. 104, , p. 538–553 (DOI 10.1016/j.apenergy.2012.11.051, lire en ligne)
Autres
- [ISO 9488:1999] ISO, Énergie solaire – Vocabulaire (ISO 9488:1999), Comité Européen de Normalisation, , 34 p.
- [SHWW 2014] (en) Mauthner, F. et Weiss, W., Solar Heat Worldwide : Market and Contribution to the Energy Supply 2012, AEE Intec, , 62 p. (lire en ligne)
- [SHWW 2017] (en) Weiss, W., Spörk-Dür, M. et Mauthner, F., Solar Heat Worldwide : Global Market Development and Trends in 2016 - Detailed Market Figures 2015, AEE Intec, , 83 p. (lire en ligne)
- [SHWW 2020] (en) Weiss, W. et Spörk-Dür, M., Solar Heat Worldwide : Global Market Development and Trends in 2019 - Detailed Market Data 2018, AEE Intec, , 86 p. (lire en ligne).
- [Müller-Steinhagen et Trieb 2004] (en) Hans Müller-Steinhagen et Franz Trieb, « Concentrating solar power: A review of the technology », Ingenia online, (lire en ligne)
Articles connexes
Liens externes
- Parabole Stirling destiné à la production d'électricité solaire thermique Sur le site promes.cnrs.fr
- Autoconstruction d'un chauffe-eau solaire Sur le site solaire-chauffe-eau.info
- Le capteur solaire à eau chaude sur le site energieplus-lesite.be d'Architecture et Climat de l'UCL
- Portail des énergies renouvelables