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Capteur solaire thermique

chauffe-eau solaire
chauffe-eau solaire
chauffe-eau solaire constitué de tubes sous vide positionnés au dessus d'un réflecteur
chauffe-eau solaire constitué de tubes sous vide positionnés au dessus d'un réflecteur



Un capteur solaire thermique (ou capteur héliothermique) est un dispositif conçu pour recueillir l'énergie provenant du soleil et la transmettre à un fluide caloporteur.


Catégories 



Il existe deux types de capteurs solaires thermiques: les capteurs qui utilisent un liquide (eau ou antigel) comme fluide caloporteur, et ceux à air, qui utilisent l'air comme fluide caloporteur.

Dans ces deux catégories, il y a deux familles:

  • les capteurs plans: le fluide passe dans un serpentin sous une vitre; ils sont peu coûteux, fonctionnent avec un bon rendement, mais seulement pendant l'été;
  • les collecteurs à tubes sous vides: le fluide caloporteur circule à l'intérieur d'un double tube sous vide; le vide étant un isolant presque parfait, ils fonctionnent aussi bien en été qu'en hiver, mais sont aussi plus onéreux.

Efficacité, rendement



Les capteurs solaires thermiques atteignent aujourd'hui (2003) des rendements de 80%.

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 un effet de serre. Avec un ensoleillement important, et si les besoins en énergie sont modérés, un simple réseau de tubes à ailettes peut suffire. 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 afin de capter un maximum d'énergie lumineuse. Mais le noir a l'inconvénient d'avoir un rayonnement important, ce qui finit par échauffer la vitre et provoquer des pertes à travers celle-ci. C'est pourquoi on préfère utiliser des absorbeurs traités au chrome, ce qui donne un corps noir dont le rayonnement est beaucoup plus faible. On parle de surfaces sélectives, elles absorbent bien le rayonnement solaire visible (où se situe la grande partie de l'énergie provenant du Soleil, corp noir à haute température) mais réémettent peu dans l'infrarouge (rayonnement de l'absorbeur, corp noir à relativement basse température).

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

  • des vitres traitées pour empêcher le rayonnement, qui laissent passer jusqu'à 95% de la lumière grâce à leur faible teneur en oxyde de fer
  • des tubes transparents "sous vide" pour éviter les déperditions thermiques convectives de l'absorbeur
  • des assemblages tubes-ailettes parfaitement solidaires réalisés par soudure aux ultra-sons...

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, couverture de 60 % des besoins (bâtiments neufs) 



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...


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 80% des besoins de chauffage et 60% 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 direct


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 les calories captées 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 (PSD) 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.

Attention toutefois à ne pas dépasser des températures de l'ordre de cinquante à cinquante cinq degrés Celsius. Au-dessus de cette température des troubles de santé peuvent apparaître au niveau de la circulation sanguine, principalement au niveau des jambes. Ce système doit-être de préférence utilisé avec un système de régulation qui permet de limiter la température émise dans le plancher.


Climatisation solaire


La chaleur captée par les panneaux solaires est dirigée vers une machine à absorption. Cette solution est efficace et silencieuse, elle est plus écologique qu'une climatisation classique (réduction des émissions de CO2). La technique reste marginale principalement en raison de son coût actuel, elle se trouve en phase de développement et il n'y a qu'une cinquantaine d'installations en Europe (dont les caves viticoles de Banyuls et les bureaux du CSTB à Sophia Antipolis).


Électricité solaire thermique



C'est un couple parabole/moteur Stirling qui permet de produire de l'électricité en courant continu.


Liens externes


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