Capteur solaire thermique

le capteur solaire thermique est un système conçu pour recueillir l'énergie provenant du soleil et la transmettre à un fluide caloporteur.



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Énergie solaire - Énergie renouvelable - Utilisation durable des ressources naturelles

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

le capteur solaire thermique (ou capteur héliothermique) est un système conçu pour recueillir l'énergie provenant du soleil et la transmettre à un fluide caloporteur. Par ressemblance au capteur photovoltaïque qui produit de l'électricité un capteur solaire thermique peut aussi être désigné par capteur photothermique. Tout comme la transmission de la lumière, la chaleur utilise une onde électromagnétique propulsée par des photons lesquels sont des quantas d'énergie résultant de l'interaction électrons-protons.

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 :

Efficacité, rendement

Les capteurs solaires thermiques atteignent actuellement (2008) des rendements de 80%.

Dans les capteurs thermiques à eau, l'eau circule dans des tubes pourvus d'ailettes. Pour obtenir un meilleur rendement, la totalité est positionné 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 nomme 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 pour capter un maximum d'énergie lumineuse. Mais le noir présente 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 bien 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, corps noir à haute température) mais réémettent peu dans l'infrarouge (rayonnement de l'absorbeur, corps noir à assez basse température).

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

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 l'ensemble des 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 :

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, fréquemment 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 envisageable 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. Pour compenser les insuffisances d'ensoleillement, un appoint est indispensable. On utilise dans la majorité des cas une résistance électrique raccordée au réseau, avec une régulation adaptée.

Dans les régions chaudes, les capteurs solaires utilisés sont fréquemment 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 télésuivi des installations est imposé par l'ADEME en contrepartie des subventions versées. Ce suivi sert à 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.

Chauffage solaire

En combinant une isolation et une ventilation performante, une conception bioclimatique servant à 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 envisageable 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 dispositif de chauffage solaire passif peut ne comporter qu'une grande verrière qu'on occulte par un rideau extérieur quand le besoin de chauffage ne se fait pas sentir ou en l'absence de rayonnement solaire au cours de la période froide.

Le dispositif de captage peut être une grande surface vitrée positionnée 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 servant à stocker les calories captées par les panneaux solaires positionnés hors 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 probablement inférieure à celle d'un chauffe-eau solaire mais qui sert à réaliser des économies de chauffage suffisantes pour amortir l'installation avant qu'elle ne nécessite une opération de maintenance lourde.

Attention cependant 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, essentiellement au niveau des jambes. Ce dispositif doit-être plutôt utilisé avec un dispositif de régulation qui sert à limiter la température émise dans le plancher.

Climatisation solaire
Icône de détail Article détaillé : 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 essentiellement à cause 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). Une entreprise française, SUN POWER SYSTEM, développe à Perpignan, la fabrication en série de dispositifs solaires combinés donnant la possibilité le chauffage, la climatisation et l'eau chaude sanitaire.

Électricité solaire thermique

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

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