Les capteurs solaires thermiques à eau

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Efficacité, rendement

Les capteurs solaires thermiques atteignent aujourd'hui des rendements supérieurs à 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, corps noir à haute température) mais réémettent peu dans l'infrarouge (rayonnement de l'absorbeur, corps 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, etc.

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. 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.

2 familles différentes de capteurs thermiques à eau

Il existe deux types de capteurs solaires thermiques :

Les capteurs plans, dans lesquels 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 ou capteurs à tubes sous vide, dans lesquels 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.

Les capteur plans ou capteurs héliothermiques

Le capteur héliothermique, ou capteur plan, est un dispositif dont l'objectif est de capter la chaleur émise par le soleil.

Il consiste généralement en un coffre rigide et vitré à l'intérieur duquel une plaque et des tubes métalliques noirs (absorbeur) reçoivent le rayonnement solaire et chauffent un liquide caloporteur (antigel).

Il existe actuellement en Europe un grand nombre de systèmes thermiques solaires, leur utilisation a commence en 1993, leur taux de croissance annuelle est de 15% par an.

Applications

L'application la plus courante du solaire thermique est le chauffe-eau solaire. On peut aussi recourir au solaire thermique pour le chauffage, soit par l'eau soit par l'air (solution la moins chère). Les systèmes solaires sont également utilisés pour le chauffage des piscines, les chauffe-eau des hôtels, des hôpitaux, le refroidissement de l'air ou de système remplaçant le chauffage (au lieu de l'air conditionné), le dessalement de l'eau de mer dans les endroits où l'eau potable est rare.

Illustration d'un capteur plan à eau

Constitution d’un capteur ou collecteur plan

Un capteur ou collecteur solaire plan comprend normalement cinq parties :

1. Une couverture transparente, composée éventuellement de plusieurs éléments (vitre),
2. L’absorbeur qui est aussi la plaque où se réalise la conversion de l’énergie solaire en chaleur,
3. Un circuit caloporteur appelé aussi échangeur,
4. Une isolation thermique arrière et latérale,
5. Une structure de liaison, modulaire ou intégrée (toiture solaire).

Avantages

Les avantages de ce produit sont multiples. Facile à installer et à intégrer, ce type de système (chauffe-eau solaire) réduit les coûts domestiques, limitant ainsi le rejet de CO2.

La "fenêtre" est située le plus près possible de l’inclinaison au sud pour maximiser l’entrée du soleil. Un toit monté de panneaux solaires peut fournir tous les besoins en eau chaude d’une famille, les systèmes solaires thermiques ont une période de retour sur investissement d’environ 10 ans, cette période tendant à diminuer grâce aux diverses subventions et aides allouées visant à encourager le développement des énergies renouvelables.

Description

Une installation de production d'eau chaude sanitaire se compose de capteurs vitrés sous forme d'éléments finis intégrés ou fixés à la toiture ou le terrain, - d'un réservoir - appelé aussi accumulateur ou chauffe-eau. Le réservoir est équipé d'un chauffage complémentaire électrique ou thermique, d'un circuit d'eau comprenant les conduites, le circulateur ou pompe de circulation, les vannes, le vase d'expansion.

L’entretien de ce genre de système est minimal. L’installation particulièrement robuste de ce type de dispositif garantit une longue durée de vie

Composition

Un capteur solaire thermique est composé d’un corps opaque qui absorbe le rayonnement solaire en s'échauffant, d’un système de refroidissement par le fluide caloporteur, d’un isolant thermique (dos et côtés non exposés), d’une couverture transparente (face avant, exposée au rayonnement) qui assure l'effet de serre, d’un coffrage étanche à l'eau et d’un système de support mécanique de l'ensemble.

Principe de fonctionnement d’un panneau thermique classique

Le rayonnement solaire (A) (direct ou diffus) traverse la vitre. Dans le caisson du panneau solaire, une surface absorbante capte l'infrarouge du rayonnement. Elle est traitée pour en ré-émettre le moins possible. Le rayonnement infrarouge est piégé par la vitre (B). Entre la plaque absorbante et l'isolation arrière du panneau, un circuit d'eau collecte la chaleur. Ce circuit échange la chaleur dans un boiler via un échangeur (C). Le circuit (secondaire) peut distribuer l'eau chaude ou alimenter le chauffage (D).

Le rayonnement solaire traversant le vitrage atteint l'absorbeur où il est converti en chaleur. Cette chaleur est ensuite acheminée du capteur au chauffe-eau par un circuit d'eau glycolée (pour éviter le gel en cas de grand froid sans soleil). La régulation a pour mission de comparer la température dans l'accumulateur (A) à celle des capteurs (C). Lorsque (C) est plus élevée que (A), la pompe s'enclenche. La circulation du fluide permet de transmettre la chaleur à l'accumulateur par l'intermédiaire d'une tuyauterie isolée et d'un échangeur de chaleur. En cas d'apport solaire insuffisant, le chauffage d'appoint est enclenché.

L’absorbeur dans un capteur planIl a trois fonctions :

• Absorber le rayonnement solaire
• Transformer ce rayonnement en chaleur
• Transmettre cette chaleur au fluide caloporteur

L’éclairement de l’absorbeur dépend de l’inclinaison du capteur par rapport au soleil. Il faut donc l’orienter de façon à ce qu’il reçoive un rayonnement solaire optimal. L’absorbeur utilise le rayonnement direct (provenant du disque solaire) et diffus (provenant de la voûte céleste), il n’est donc pas nécessaire de l’orienter en permanence en direction du soleil.

Il faut que l’absorbeur absorbe le maximum de flux solaire, c’est pourquoi il est généralement noir ou de couleur sombre. De cette façon, son coefficient d’absorption a est proche de 0.95. Il est préférable d’obtenir cette teinte par traitement chimique que par peinture car celle-ci a tendance à jouer le rôle d’isolant.

Il est aussi souhaitable de limiter les ré-émissions par rayonnement infrarouge. Pour ce faire, il faut que l’absorbeur ait une faible émissivité e (e<0.15). De tels absorbeurs sont appelés sélectifs.

Il faut que la transmission de la chaleur au fluide soit réalisée de façon optimale. C’est pourquoi, l’absorbeur doit être constitué d’un matériau à forte conductivité. On utilise donc des métaux. Plus le coefficient de conductivité est élevé, plus l’épaisseur est réduite pour un même flux transmis au fluide. Les tuyaux de circulation du fluide sont montés en parallèle et leur espacement dépend de leur diamètre.

L’isolation et le vitrage dans un capteur plan

Le but est de limiter les pertes thermiques au maximum au niveau du capteur. Ainsi, on dispose un isolant sur les faces latérales et arrière du capteur. Cet isolant doit avoir une bonne tenue aux hautes températures en cas d’arrêt de circulation du fluide en période estivale.

En ce qui concerne, la face avant, il est naturellement indispensable qu’elle soit transparente afin de laisser passer le rayonnement solaire. On peut alors utiliser du verre (simple ou double vitrage) ou du plastique (polycarbonate, méthacrylate, etc.). On bénéficie alors du phénomène de l’effet de serre car le vitrage laisse passer le rayonnement solaire mais pas le rayonnement infrarouge émis par l’absorbeur. Cela limite alors le refroidissement par rayonnement. Par ailleurs, l’absorbeur est isolé de l’environnement extérieur, les pertes thermiques par convection dues au vent sont atténuées.

Les performances d’un capteur se mesurent au rapport entre l’énergie transmise à l’eau et l’énergie incidente sur le capteur. Le rendement instantané d’un capteur solaire est d’autant meilleur que la température de sortie du liquide est plus basse. En effet, les pertes thermiques augmentent avec la température du capteur.

Dimensionnement du système

L’ampleur de l'installation solaire doit prendre en compte en premier lieu la consommation

envisageable suivant le nombre de personnes vivant dans l’habitation. Ce critère permet de déterminer la surface de capteurs et le volume du réservoir.

Consommation d'eau :

La consommation moyenne d'eau chaude sanitaire, par jour et par habitant, est d'environ 50 litres à une température de 55°C. Surface des capteurs : pour des capteurs plans vitrés convenablement orientés, la surface conseillée se situe entre 0.5 - 1.5 m2/personne (petite installation individuelle) et 0.3 - 0.5 m2/personne (installation desservant plus de 100 personnes).

Volume du chauffe-eau :

Les volumes sont déterminés en fonction de la surface des capteurs et de la disponibilité de l'énergie d'appoint (agent énergétique conventionnel). Le volume du chauffe-eau solaire varie entre 100 litres/personne (petite installation) et 60 litres/personne (grande installation).

Remarques :

En cas d'ensoleillement abondant (été) et de consommation réduite (vacances) peut apparaître un risque de surchauffe dans les capteurs. Cette surchauffe peut entraîner la vaporisation du liquide (fluide caloporteur), ce qui impose certaines précautions techniques lors de la réalisation - l'installation d'une soupape de sécurité prévient tout danger-.

Cette technologie est essentiellement utilisée pour produire de l'eau chaude sanitaire mais peut aussi intéresser certains secteurs professionnels, telles que les blanchisseries, utilisant de l'eau chaude pour leurs activités. Rentable tant pour les ensembles collectifs (immeubles, hôpitaux) que pour l'habitat individuel, où elle peut également alimenter un système de chauffage, elle complète parfaitement les applications photovoltaïques.

Orientation et situation d'un capteur plan ou capteur héliothermique

Il doit évidemment être disposé de façon à absorber un maximum d'énergie solaire. C'est-à-dire qu'il doit globalement être orienté vers le sud, et tenir compte de la déclinaison, qui est l'angle que forme le soleil avec la verticale. Cet angle varie suivant la latitude et la saison. Il convient donc de connaître, avant toute chose, la latitude de l'endroit où l'on souhaite implanter le capteur. Puis on se sert d'une table astronomique ou éphéméride qui donne la variation saisonnière de la déclinaison.

Prenons un exemple pour une habitation placée à une latitude de 45° :

On sait que l'inclinaison de l'axe de la terre est de 23°5. Cela signifie que la déclinaison du soleil à midi sera de 45° aux équinoxes de printemps et d'automne. Il sera de 45°-23°5 = 21°5 au solstice d'hivers, et de 45°+23°5 = 68°5 au solstice d'été. Donc, l'angle formé par le soleil avec l'horizontale à une latitude de 45° (Nord ou Sud) oscillera entre 21°5 au plus bas en hivers et 68°5 au plus haut en été.

Le deuxième point important réside dans le fait que la durée du jour sera minimale en hiver, et maximale en été.

En fait, l'angle que nous allons donner au capteur va déterminer à quel moment de l'année nous voulons que le capteur soit le plus performant. Et cela va dépendre du type d'utilisation voulu.

Dans le cas d'un chauffe eau, les besoins en eau chaude sont à peu près constants tout au long de l'année. Par conséquent, nous choisirons une valeur moyenne, et nous ferons en sorte que le rendement des capteurs soit optimal au printemps et en automne. Nous leur donnerons une inclinaison de 45°.

Dans le cas d'un chauffage solaire, théoriquement, le meilleur angle serait celui du solstice d'hivers (soleil à 21°5 donc capteur à 68°5). Mais comme d'une part il s'agit du moment ou la durée du jour est la plus petite, et d'autre part souvent la plus nuageuse, nous choisirons un angle un peu plus important, ce qui placera les dates du rendement optimal un peu plus tôt (par exemple au moins de novembre) et un peu plus tard (janvier). Un angle de capteur disposant d’une horizontale de 55° / 60° est satisfaisant. De plus, le soleil effectuera 2 passages par an au point de rendement optimal plutôt qu’un seul.

Un autre point très important est le masque solaire. Les masques solaires sont l'ensemble des bâtiments, arbres, obstacles susceptibles de gêner et réduire l’ensoleillement des capteurs. C'est pour cette raison qu’il convient de placer les capteurs le plus haut possible sur une maison ou sur un bâtiment. Il est possible de faire une étude détaillée sur diagramme en reportant les masques pour estimer la quantité d'énergie récupérable. Dans la pratique, le bon sens suffit généralement et il suffit de placer les capteurs à l'endroit le plus ensoleillé.

Les capteurs à tubes sous vide

Le capteur sous vide est constitué d’une série de tubes de verre de 5 à 15 cm de diamètre sous vide à l’intérieur desquels se trouve un absorbeur avec un circuit hydraulique, qui capte l’énergie solaire et la transfère au fluide caloporteur. Dans chaque tube l’absorbeur capte le rayonnement solaire et l’échangeur transfert l'énergie thermique. Les tubes sont mis sous vide pour éviter les déperditions thermiques convectives de l'absorbeur et l'absorbeur reçoit un traitement sélectif pour empêcher le rayonnement. Ainsi, on peut réaliser des capteurs solaires performants sans une isolation thermique rapportée ou un coffre de protection.

Pour être efficace le vide doit être poussé < 10-3 Pa. Un tube devient inutile s'il n'est pas totalement hermétique et il faut le changer pour préserver la performance de l'ensemble du capteur.

Afin de visualiser cette éventualité, les tubes sont munis d'un témoin (getter) en baryum, qui dépose une couche métallisée sur l'intérieur du tube pendant la fabrication. Cette couche argentée de baryum devient blanc en contact avec l'air et ainsi sert de témoin à la perte de vide.

Illustration : le bout du tube est argenté si le vide est effectif, sinon il devient blanc

Grâce aux propriétés isolantes du vide, les déperditions de chaleur sont faibles. Ainsi, on peut obtenir des gains de température de 100°C et plus. Ce type de capteur est particulièrement bien adapté aux applications nécessitant des hautes températures.

La technique du capteur sous vide présente des avantages inégalés : une isolation remarquable et une exposition toujours adaptée à la position du soleil. L’eau chauffe rapidement et ne perd pas la chaleur accumulée.

Rendement – comparatif avec les autres type de capteurs  

A surface d'absorbeur égale, le rendement est généralement meilleur que celui d'un capteur plan, surtout à des températures élevées (>60°C).

Graphique schématique montrant les performances comparées des différents types de capteurs solaires thermiques.

Mais attention, les surfaces utiles d'un capteur à tubes sous vide et d'un capteur plan sont difficilement comparables.

4 familles différentes

Il existe 4 familles de capteurs à tubes sous vide. Chacune d’entre elles possède un fonctionnement technique spécifique :

• Le capteur à tube sous vide à circulation directe
• Le capteur à tube sous vide à Caloduc
• Le capteur à tube sous vide à effet Thermos
• Le capteur à tube sous vide "Schott"

Le capteur à tubes sous vide à circulation directe

Cette technique a été développée il y a une trentaine d'années afin d'améliorer les performances d'un capteur plan. En effet, la conception de l'absorbeur et les tuyaux de circulation du fluide caloporteur sont comme un capteur plan. Sauf, l'ensemble est suffisamment étroit pour être glissé à l'intérieur d'un tube en verre. L'air à l'intérieur est évacué pour faire le vide et le tube est fermé hermétiquement.

Le principe est simple, mais la fabrication est difficile à cause des liaisons verre/métal nécessaires pour la circulation du fluide caloporteur.

Schéma de fonctionnement d’un capteur à tubes sous vide à circulation directe

Le capteur à tube sous vide à "Caloduc"

La différence avec le capteur à circulation directe est que l'échange de chaleur a lieu suivant un mécanisme naturel d'évaporation et de condensation d'un fluide. Cet instrument d'échange thermique est appelé un caloduc.

Le caloduc est en contact avec l'absorbeur, il permet de transmettre la chaleur captée hors du tube pour chauffer un fluide dans le collecteur.

Il y a toujours une liaison verre/métal hermétique entre le tube sous vide et le passage du caloduc, mais la liaison entre le tube et le collecteur est à sec. Ainsi, les tubes peuvent être fixés au collecteur après son installation et dans le pire des cas, un tube cassé peut être remplacé sans déposer le restant du capteur. Par contre, les tubes doivent être inclinés afin de permettre la thermocirculation du fluide dans le caloduc.

Schéma de fonctionnement d’un capteur à tubes sous vide à caloduc et sa liaison avec le collecteur

1. Collecteur isolé à l'intérieur de l'enveloppe de protection
2. Condenseur du caloduc
3. Circulation de l'eau dans le collecteur
4. Tube acier étanche
5. Absorbeur
6. Liquide descendant
7. Vapeur montante
8. Tube de verre sous vide

Le capteur à tube sous vide à effet "Thermos"

C'est le principe d'enveloppe sous vide utilisée pour garder les boissons chaudes dans une bouteille Thermos. Le tube intérieur sert d'absorbeur car la surface est traitée pour être absorbante et sélective. Ca veut dire qu'elle capte le rayonnement solaire, mais en chauffant, elle émet très peu de rayonnement infrarouge. La chaleur est transmise hors de l'enveloppe sous vide du tube par la circulation d'un fluide en contact avec l'absorbeur ou par un caloduc.

Cette technique a été développée tout d'abord à l'Université de Sydney en Australie. Actuellement elle est une technique chinoise, où quelques 5 millions de mètres carrés de capteurs à tube sous vide sont fabriqués chaque année. En effet, cette technique considérée comme "Hi-Tech" en Europe représente 65% du marché chinois.

La fabrication des tubes et l'assemblage des capteurs sont simplifiés, car il n'y a pas de soudures verre/métal. En revanche, les tubes "thermos" sont particulièrement fragiles au point de liaison avec le collecteur, où la partie extérieure et la partie intérieure de chaque tube se rejoignent.

De nombreux fabricants de chauffe-eau solaires utilisent ces tubes "thermos" avec différents types d'absorbeur et de méthodes de transfert de chaleur.

Les réflecteurs "CPC" (compound parabolic concentrator) sont courants avec ce type de capteur car la surface de l'absorbeur est cylindrique couvrant la totalité de la surface du tube intérieur. Ainsi, la partie face au soleil peut capter le rayonnement direct et la partie cachée peut capter le rayonnement par réflexion.

Le capteur à tubes sous vide "Schott"

Le tube sous vide fabriqué par l'entreprise Schott-Rohrglas en Allemagne utilise le principe "thermos" avec plusieurs perfections techniques.

D'abord, une partie de la paroi intérieure du tube extérieur est un réflecteur cylindrique et ensuite, le tube intérieur sert comme absorbeur aussi bien qu'échangeur de chaleur avec le fluide caloporteur. L'utilisation des métaux est réduite à des traitements de surface du tube et les différentes pièces du collecteur.

Cette technique peut servir pour plusieurs applications.

Avec un tube pour le retour du caloporteur enfilé dans le tube sous vide, chaque tube et l'ensemble du capteur peuvent fonctionner en thermosiphon. Et si le tube intérieur est traversant, ce capteur peut servir comme foyer d'un capteur à concentration à haute température.

3 méthodes de pose lors de l’installation

Au sol : nécessite un emplacement disponible comme une terrasse ou une partie du jardin.

Problématique car la distance entre les capteurs et le ballon multiplie les risques de déperdition de chaleur.

En façade / en pignon : peu esthétique, choix par défaut lorsque le toit ne peut accueillir de panneaux

Sur le toit : solution plébiscitée car elle permet

• d'installer des panneaux sur une grande superficie
• de bénéficier de l'inclinaison « naturelle » du toit
• de ne pas réduire l'espace habitable (du jardin ou de la terrasse par exemple)
• de rester discrète

Les capteurs posés sur le toit peuvent être intégrés à la toiture ou superposés à la toiture.

Des capteurs intégrés sont appréciables du point de vue esthétique mais coûtent un peu plus cher. Il faut également faire attention dans le cas de capteurs intégrés à la bonne étanchéité de l'installation, qui peut être une source importante de perte de chaleurs et rendre ainsi obsolète votre démarche pour économiser l'énergie.

Orientation

Plein sud dans l'idéal

Une orientation sud est, sud ouest fonctionne également sans trop diminuer le rendement de l'appareil.

Une inclinaison de 45°C à 50°C par rapport à l'horizontal est conseillée pour un rendement optimal

Elle permet une bonne réception des rayons du soleil quelle que soit sa position dans la journée et dans la saison.

Si cela n'est pas possible, d'un point de vue architectural notamment, une inclinaison de 25-30° est possible et suffisante.

Avantage des capteurs solaires à tubes sous vide

• Réduction de surface de 25%,
• Pas d'inertie,
• Autolimitation de température, pour une installation pérenne,
• Orientation maximale plein sud, le tube pivote sur son axe,
• Peu de prise au vent,
• Garantie de fonctionnement même en cas de destruction accidentelle d'un tube,
• Facilité d'installation,
• Faible poids de chaque composant,
• Pas de contrainte mécanique sur les tubes,

Les capteurs solaires à tubes sont plus performants que les capteurs plans en terme de rendement à faible ensoleillement. Ils absorbent les rayons directs, réfléchis ou diffus et ce à tout moment de la journée quelque soit l’orientation du soleil. Ils permettent la production d’eau chaude sanitaire et de chauffage.

Ces capteurs sont idéals pour un montage rapide et fiable à l’emplacement souhaité par le client verticalement ou horizontalement, sur le toit ou en façade. Ils assurent par ailleurs un rendement élevé du à l’isolation sous vide. Leur fonctionnement est optimisé même dans le cas de faibles températures extérieures et d’une courte durée d’ensoleillement. Les capteurs solaires à tubes ne s’altèrent pas avec le temps et le verre est généralement autonettoyant.

Chaque tube de verre est indépendant et peut donc être orienté (de 0° à 90°) et monté séparément. Un tube défectueux peut ainsi être remplacé sans avoir à démonter l’ensemble du capteur.

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