Capteur solaire thermique

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Chauffe-eau solaire au sol
Chauffe-eau solaire en surimposition toiture
Chauffe-eau solaire constitué de tubes sous vide positionnés au-dessus d'un réflecteur
Un panneau thermique autoconstruit monté en façade

Un capteur solaire thermique (ou capteur hélio-thermique ou collecteur solaire ou simplement capteur solaire) est un dispositif conçu pour recueillir l'énergie solaire transmise par rayonnement et la communiquer à un fluide caloporteur (gaz ou liquide) sous forme de chaleur afin de contribuer à la production d'eau chaude. Cette technologie est souvent confondue avec les panneaux photovoltaïques, qui eux transforment la lumière (les photons) en électricité.

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Il existe différents types de capteurs solaires thermiques selon le type d’application considérée, la nature de l’élément caloporteur utilisé et le niveau de température qu'ils permettent d'atteindre.

Le type d’application peut aller du chauffage d’une piscine avec un capteur léger, à une centrale solaire thermodynamique produisant de l’électricité. Le fluide caloporteur peut être de l’air, de l’eau, un mélange antigel, un fluide à changement de phase, une huile tenant à haute température. Le gros des applications est celui du chauffage de l’eau sanitaire, et celui du chauffage des locaux, avec des fluides caloporteurs liquides.

Les capteurs à liquide se répartissent en trois familles :

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 ;
les capteurs plans vitrés 
le fluide caloporteur, très souvent de l’eau mélangée à un anti-gel alimentaire, de type mono-propylène glycol, passe dans un serpentin plaqué en sous face d’une feuille absorbante, 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 ;
les capteurs à tubes sous vides 
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).

En France, le « Plan Soleil »[1], 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.

Fonctionnement[modifier | modifier le code]

Dans les capteurs thermiques, le liquide circule dans des tubes soudés 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 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 produits.

Efficacité, rendement[modifier | modifier le code]

Une mesure claire de l’efficacité est le rapport entre la puissance du rayonnement solaire qui arrive sur la surface utile du capteur et la puissance que ce capteur fournit au fluide caloporteur, 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[2] :

  • l’éclairement (terme technique 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[modifier | modifier le code]

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 [3] :

  • 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 :

Puissance de sortie = 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, et il ne faut pas les mélanger.

Courbes de rendement de capteurs typiques

Les valeurs typiques en 2011-2012 pour les capteurs vitrés et à tubes (tirées des résultats des tests[4] 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 [3]:

Les deux graphiques correspondent aux mêmes trois capteurs types, avec 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.
rendements de capteurs réels d’après des mesures SPF
  • 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[4] 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[modifier | modifier le code]

Exemples de résultats d'énergie thermique annuelle obtenue, dans des applications types

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[4] 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.

Comparaison en imagerie thermique IR des deux technologies : les tubes sous vide génèrent moins de pertes que les capteurs plans.

Les capteurs concernés sont les capteurs réels mesurés et publiés par le SPF en 2010, 2011 et 2012. On a pris comme paramètre d’abscisse le rendement η0 : on voit clairement la corrélation entre le coefficient de rendement et la productivité, par la pente générale de répartition des points.

On voit assez clairement que dans l’application ECS, les capteurs plans (losanges bleu foncé) sont équivalents en productivité avec la majorité des tubes (losanges jaunes), sauf ceux qui ont le meilleur rendement. Par contre, dans l’application 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[modifier | modifier le code]

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

Chauffage et eau chaude combinés[modifier | modifier le code]

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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). 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 des capteurs par rapport à l'ensoleillement dans l'hémisphère nord: orientation Sud +/- 45° et inclinaison de 26° à 90° (vertical), 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 placé placé selon les cas soit dans une chaufferie, garage soit dans la zone chauffée

Les retours d'expériences faites en France, Suisse et Allemagne sont bonnes avec un recul d'environ 30 ans.

Sur l'habitat neuf, la consommation d'énergie pour l'eau chaude est similaire à 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% (cf. mesures Inès: http://www.ines-solaire.org/france/DT1294326527/page/Projet-Eval-SSC-2007.html). Des émetteurs basses températures sont à privilégier: plancher chauffant, mur chauffant et radiateurs basses températures pour maximiser le rendement solaire.

Eau chaude solaire[modifier | modifier le code]

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 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[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

Il est possible de couvrir près de 50 % des besoins de chauffage et 75 % des besoins thermiques d'eau chaude sanitaire, gratuitement sur des maisons bien isolés soit une économie chauffage et eau chaude 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 le dimensionnement capteur est plus faible (7% de la surface habitable en capteur solaire contre 10% en rénovation), les productivités capteurs sont alors similaires.

Chauffage solaire par air[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

Mise en œuvre d'un plancher solaire

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 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 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 eau chaude importantes. La productivité moyenne mesurée par l'Inès d'un chauffage solaire est de l'ordre de 445kWh/m²/an[5] pour 270kWh/m²/an pour un chauffe eau solaire individuel[6]. 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[modifier | modifier le code]

Article détaillé : 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 CO2). 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[modifier | modifier le code]

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'une source froide.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]