Foire aux questions sur les panneaux solaires thermiques

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Qu’est ce que l’énergie solaire thermique ?

L'énergie solaire thermique est la transformation de l’énergie contenue dans le rayonnement solaire en chaleur. Cette transformation en chaleur et donc en énergie thermique permet de chauffer de l'eau ou de l'air dans différents cas d'applications solaires.

Dans quelle application utilise t-on l’énergie solaire thermique ?

Dans une habitation standard, le chauffage traditionnel de l’eau et de l’air sont les applications qui consomment le plus d’énergie électrique et par conséquent qui coûtent les plus chères.

L’utilisation de l’énergie solaire thermique pour remplacer le système conventionnel de chauffe eau domestique, de chauffage de piscine résidentielle et de chauffage d’air de ventilation, représente un avantage certain pour une économie d’énergie et de coût. En effet, le système solaire thermique peut diminuer les coûts de consommation d’énergie de plus de 50%.

Comment fonctionne un système solaire thermique ?

Le système solaire thermique dans son ensemble va grâce à ses capteurs solaires, capter dans un premier temps le rayonnement solaire puis le transformer en chaleur (énergie thermique).

Dans un deuxième temps, il va transférer cette chaleur par l’intermédiaire d’un dispositif de transport de chaleur jusqu'à l’endroit désiré : une pièce, un réservoir d'eau ou autres.

Comment fonctionne un chauffe eau solaire ?

Dans le cas classique, les rayons du soleil viennent frapper le capteur solaire dont la surface est conçue pour emmagasiner une quantité suffisante de rayons.

À l'intérieur du capteur se trouve un matériau absorbant (l’absorbeur), dans lequel circule un fluide caloporteur ou fluide thermique. L'absorbeur va donc transformer le rayonnement solaire qu'il a absorbé en chaleur puis transmettre cette chaleur au fluide caloporteur avec lequel il est en contact.

Le fluide va circuler jusqu'à un échangeur thermique où il cède sa chaleur, pour revenir ensuite par circuit fermé au capteur solaire grâce à une pompe alimentée par un petit panneau PV.

Notons que ce type de système de chauffage est un système à boucle fermée ; il existe aussi des systèmes à boucle ouverte où l'eau sanitaire sous pression est chauffé directement dans le capteur solaire. Également des systèmes à thermosiphon, dans lequel aucune pompe n'est nécessaire pour faire circuler le fluide caloporteur qui sélève tout naturellement lorsqu'il est chauffé.

De quoi est composé un système de chauffe eau solaire ?

Selon son type, un système de chauffage solaire est généralement composé des éléments suivants :

A. Un ou plusieurs capteurs :

Il existe plusieurs types de capteurs dont le choix se fait en fonction des conditions climatiques et de la température souhaitée de l’eau chaude.

1.      Capteurs plans à liquide avec vitrage :

C’est un boîtier rectangulaire à surface vitrée dont l’arrière est protégé par un panneau isolant. A l’intérieur de ce boîtier se trouve un matériau absorbant placé entre l’isolant et la surface en plaque de verre. Cette fabrication a pour effet d’emprisonner le maximum d’énergie captée (Effet de serre) et d'engendrer peu de pertes thermiques. Ainsi ces capteurs à vitrage procurent un maximum de performance même par temps froid. Par contre, ils sont plus coûteux que les capteurs sans vitrage et difficilement manipulables.

On utilisera les capteurs solaires avec vitrage, lorsque l'application exige une température d'eau assez élevée en hiver et une certaine performance.

2.      Capteurs plans à liquide sans vitrage

Ce sont des capteurs solaires à usage saisonnier. Ils sont d'un moindre coût car bien qu’ils captent efficacement l’énergie solaire, ils engendrent beaucoup de pertes thermiques lorsque leur température augmente. Ils sont recouverts d'un plastique polymère noir, formé de multiples canaux à travers lesquels de l'eau circule.

On utilisera les capteurs solaires sans vitrage lorsque l'application fonctionne de façon saisonnière (à température douce) et exige une température d'eau chaude peu élevée comme dans le cas du chauffage pour piscine.

3.      Capteurs à tubes sous vide

C'est l'une des technologies les plus performantes en matière de captage solaire, mais aussi la plus coûteuse. Ce type de capteur est constitué d'une série de tubes alignés parallèlement, dans lesquels on a créé le vide. À l'intérieur de ces tubes sous vide se trouve une plaque sombre (l'absorbeur) de même longueur que le tube, qui est traversée sur toute sa longueur par un conduit (le caloduc ou évaporateur) renfermant un liquide. Lorsque le capteur est exposé aux rayons solaires, l'absorbeur transforme l'énergie solaire incidente en chaleur. La chaleur est récupérée par le caloduc ou évaporateur; le liquide qu'il renferme devient gazeux en absorbant la chaleur, s'évapore en remontant le tube sous vide jusqu'à un condenseur situé à la partie supérieur du tube. le liquide cède alors sa chaleur à un fluide caloporteur qui lui, transmet cette chaleur à un échangeur thermique placé dans le réservoir de stockage. Ce procédé de captage d'énergie thermique où les capteurs sont sous vide offre légèreté et résistance, une durée de vie d'environ 20 ans, et une excellente performance même sous rayonnement faible.

On utilisera les capteurs solaires à tubes sous vide lorsque l'application fonctionne toute l'année, ou exige une température d'eau assez élevée sous climat froid pour rester performante.

B. Réservoir d’eau chaude :

Comme son nom l'indique, il sert à stocker l’eau chauffée et à la réutiliser au besoin. Il est habituellement placé à côté du chauffe-eau conventionnel.

C. Unité de pompage :

Une pompe va permettre la circulation du fluide caloporteur du capteur solaire au réservoir de stockage. Cette unité n’est pas nécessaire dans un système à thermosiphon où le transport se fait naturellement.

D. Contrôleur (selon les cas) :

C’est une commande qui actionne la fermeture ou l’ouverture de la pompe quand cela est nécessaire. Elle n’a pas lieu d’être lorsqu’il existe un petit module photovoltaïque pour actionner la pompe.

E. Protection contre le gel :

Le mélange antigel est nécessaire dans le fluide caloporteur pour les systèmes installés dans les régions froides ou tempérées, pour empêcher le fluide de geler à très basse température.

F. Dispositifs de protection :

Ce sont les protections contre la surchauffe des circuits du système, thermostat par exemple et divers éléments de plomberie comme les vannes de vidanges, clapets anti-retour et autres dispositifs de sécurité.

Peut-on manquer d’eau chaude avec un chauffe-eau solaire ?

Un système de chauffe eau solaire sera toujours conçu pour faire face au besoin de l’utilisateur. On choisira la capacité nécessaire du chauffe-eau solaire en fonction du nombre d’occupants et des appareils utilisant de l’eau chaude, comme le lave vaisselle et la machine à laver. Le système tiendra compte d’éventuels besoins supplémentaires. Aussi, faire fonctionner la machine à laver ou le lave vaisselle entre 9h et 15h au moment de la journée où il y a le plus de soleil, permet d'éviter de manquer d’eau chaude durant le reste de la journée.

Que faut-il faire avant de se procurer un chauffe-eau solaire ?

Déterminer la période d’utilisation du chauffe-eau solaire

Savoir si le chauffe eau sera utilisé dans la résidence pendant la période estivale ou toute l’année, car les chauffes eaux solaires se distinguent par ceux qu’on utilise de façon permanente et ceux utilisés de façon saisonnière.

Chauffe eau solaire saisonnier :

Vous résidez dans votre habitat que pendant l’été (exemple : chalet). Le chauffe-eau saisonnier convient à ce genre d’habitat, car il n’a pas besoin d’être pourvu d’un liquide antigel nécessaire en période de froid. Il convient aussi aux régions chaudes.

Il fonctionne suivant une température minimale d’exploitation, en dessous de laquelle, il doit être vidangé. Il est en général sans réservoir.

Chauffe eau solaire permanent :

Il est plus robuste que le saisonnier car adapté aux conditions climatiques rudes. Il a une plus grande capacité de réserve d’eau chaude, ce qui permet de convenir pour une utilisation tout au long de l’année.

 Étudier l’emplacement où installer le chauffe eau solaire

Composé de capteurs solaires, de tuyauterie et de réservoir de stockage, l’endroit choisit pour l’installation du chauffe eau solaire doit pouvoir accueillir ces différents composants.

Le capteur doit être, idéalement, placé sur le toit de votre maison ou sur un mur de 6 m2 de surface (environ 2 capteurs), orienté entre le entre le Sud Ouest et le Sud Est avec une inclinaison du capteur de 15 à 50o par rapport à l’horizontale.

L’utilisateur doit s’assurer qu’aucun obstacle environnant, arbre, immeuble, bâtisse ou autre ne produit de l’ombre sur le capteur entre 9h et 15h durant la période d’utilisation du chauffe eau (à titre indicatif, il est prouvé qu’un obstacle situé à 10m d’un capteur placé sur le toit ou sur un mur peut causer de l’ombrage considérable).

Le réservoir est généralement placé près du chauffe-eau conventionnel et les tuyauteries doivent pouvoir être introduites dans le toit ou le mur et non loin du capteur. La tuyauterie d’intérieur doit pouvoir être logée dans les planchers, placards et murs ou dans l’espace dédié au tuyau d’eau chaude.

Déterminer la capacité du chauffe-eau solaire.

On détermine la capacité du chauffe-eau solaire en fonction du nombre d’occupants de la maison, de la consommation d’eau journalière, des éventuels besoins supplémentaires et des appareils qui consomment de l’eau chaude comme le lave vaisselle et le lave linge.

Trois capacités standard :

1.      Petit réservoir pour 2 occupants = 150 litres par jour équivaut à peu près à 3 m2 de capteurs solaires

2.      Moyen réservoir 3 à 4 occupants = 225 litres par jour équivaut à peu près à 6 m2 de capteurs solaires

3.      Grand réservoir pour 4 à 6 occupants = 300 litres par jour équivaut à peu près à 10 m2 de capteurs solaires

4.      Très grand réservoir pour 6 occupants et plus = 450 litres par jour

Focus sur les capteurs solaires ou collecteurs sous vide

Le capteur solaire à tubes sous vide a-t-il besoin de soleil pour fonctionner ?

Pas nécessairement. Les capteurs à tubes sous vide produisent de la chaleur par tous types de temps.

Un capteur solaire à tubes sous vide fonctionne-t-il en hiver ?

Oui. Le rayonnement solaire demeure suffisamment important en hiver et fournit donc l’énergie calorifique nécessaire au fonctionnement des capteurs à tubes sous vide. L’eau sera chauffée ou préchauffée, en fonction de la couverture nuageuse et du degré d’ensoleillement.

Un capteur solaire à tubes sous vide peut-il produire de l'électricité ?

Non. Seuls le capteurs solaires de type photovoltaïque peuvent convertir l’énergie lumineuse en énergie électrique.

Faut-il une autorisation quelconque ou un permis de construire pour installer un capteur solaire à tubes sous vide ?

Non. Une simple déclaration de travaux à la mairie suffit dans le cas d’une installation sur une toiture. Aucune formalité particulière n’est requise si le capteur est installé au sol.

Un capteur solaire à tubes sous vide craint-il le gel ?

Non étant donné que le liquide qui circule dans le capteur est un liquide antigel. Les capteurs à tubes sont d’ailleurs très utilisés dans les pays froids tels que la Finlande, la Suède, le Canada, l’Allemagne, l’Autriche, etc.

Un capteur solaire à tubes sous vide craint-il la grêle ?

Tout dépend naturellement de la violence de la grêle. Cependant, les tubes ont une surface courbe et présentent, par conséquent, une très bonne résistance à la grêle. Les tubes de verre cylindriques sont particulièrement solides et résistants aux chocs. Un tube, de par sa conception cylindrique, résiste mieux à un choc qu’un capteur plan dont la surface plane est plus fragile.

Peut-on facilement remplacer un tube endommagé ?

Oui, quelques minutes suffisent. Il suffit, pour cela, d'enlever l'ancien tube et de le remplacer par un tube neuf. Cette opération ne prends que quelques minutes et peut être réalisée par tout le monde. Un capteur solaire de 18 tubes peut fonctionner avec 10 tubes ou moins. La production d’eau chaude sera, dans ce cas là, diminuée mais le capteur continuera à fonctionner contrairement à un capteur plan (qu’il faudra remplacer en totalité).

Comment la canalisation traverse-t-elle la toiture tout en respectant l’étanchéité de cette dernière ?

Plusieurs systèmes sont proposés en fonction de la configuration et la topologie du toit. Le passage des canalisations de connexion se fait via des pièces mécaniques existantes comme des tuiles chatières, des outeaux pour l’ardoise (ouvertures dans les couvertures en ardoise), voire des pièces réalisées sur mesure dans les cas des configurations les plus atypiques.

Comment le capteur solaire à tubes sous vide est-il fixé sur le toit ?

Le capteur peut être fixé sur le toit au moyen de sangles d´acier inoxydable. Ces sangles sont boulonnées aux combles sous la toiture et sont destinées à supporter l´armature du capteur.

Est-on obligé de mettre le capteur solaire à tubes sous vide sur toit ?

Non, le capteur peut être posé à même le sol grâce à un support métallique (généralement fourni) destiné à le maintenir dans une position et selon une inclinaison adaptée.

Peut-on rivaliser avec les performances d’un capteur solaire à tubes sous vide en utilisant un capteur solaire plan d’une très grande taille.

Non. L´augmentation de surface d’un capteur plan n´est pas un critère de performances. En effet, plus la surface d’un capteur plan est importante, plus les pertes thermiques le sont aussi. Des simulations et des essais ont abouti à ce constat.

Pourquoi les capteurs à tubes sous vide sont-ils plus chers que les capteurs plans ?

Ces capteurs sont plus chers car le principe de fonctionnement et la technologie employés sont beaucoup plus performants et parce que le coût de fabrication des capteurs à tubes sous vide est plus élevé que celui des capteurs plans. Le surcoût constaté à l’achat est cependant largement amorti dés les premières semaines d’utilisation étant donné les avantages et les performances proposées par un capteur à tubes sous vide : moins de surface, un rendement beaucoup plus élevé même en hiver, une meilleure résistance à la grêle, la possibilité de ne remplacer que un ou plusieurs tubes défectueux, etc.

Pourquoi les capteurs à tubes sous vide sont-ils plus efficaces que les capteurs plans ?

La structure géométrique, la conception, et le principe de fonctionnement du tube sous vide permettent d’obtenir un rendement du rayonnement solaire beaucoup plus important qu’avec un capteur plan.

• Les tube en verre utilisés sont généralement en borosilicate à très haute absorption solaire.
• La forme tubulaire est optimisée pour capter l'énergie dès les premiers rayons de soleil et ce jusqu'à son coucher.
• Les tubes en verre utilisent le principe du double tube avec son vide intérieur constituant un isolant parfait (comme une bouteille thermos) destiné à éviter les déperditions nocturnes et supportant des températures très basses jusqu'à - 40° C
• La forme cylindrique présente une résistance mécanique supérieure aux capteurs plans.
• L’absence (en raison de l’utilisation de tubes) de réflexion solaire le matin ou en fin de journée permet d’optimiser le rendement du capteur : l'absorption des rayons solaires est maximale pendant plus de 6 heures par jour.

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