Capteur solaire thermique

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 autoconstruction monté en façade

Un capteur solaire thermique (ou capteur hélio-thermique ou simplement capteur solaire) est un dispositif conçu pour recueillir l'énergie provenant du Soleil et la transmettre à un fluide caloporteur. En complément du panneau solaire (ou panneau photovoltaïque), qui transforme la lumière (les photons) en électricité, le capteur solaire -thermique- récupère l’énergie envoyée par le Soleil sous forme de chaleur (rayonnement) pour la transmettre à un élément caloporteur (air ou fluide).

Catégories

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.

On distingue généralement les capteurs à air des capteurs à eau.

Les capteurs à air permettent, par l’apport d’air réchauffé, d’augmenter la température de l’air ambiant interne de quelques degrés Celsius. Le capteur à air est constitué principalement d’un caisson isolé recouvert d’une vitre teintée. L’air froid s’engouffrant dans la partie basse du capteur est réchauffé dans son parcours dans le capteur pour ensuite aller directement dans la pièce à chauffer. D’un fonctionnement simple, ils sont pourtant peu employés.

Les capteurs à eau fonctionnent en réalité à l’aide d’un fluide caloporteur. Ils se répartissent en trois familles :

• les capteurs non-vitrés (ou 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 ;
• 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) ;
• les capteurs à tubes sous vides : le fluide caloporteur circule à l'intérieur d'un double tube sous vide. Le principe est le même que pour les capteurs plans vitrés, l’isolation étant simplement assurée par l’absence de molécules d’air (vide).

Efficacité, rendement

En 2008 la plupart des capteurs solaires thermiques approchent des rendements d'absorption optique de 80%^[1]. Les différences de performances et les progrès réalisés se font essentiellement sur la réduction des pertes par convection (isolement) et par rayonnement (optimisation des corps absorbants et des verres).

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 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. 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 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 elevé depuis l'absorbeur. Une grande partie de ce rayonnement passe a travers la vitre, le reste la réchauffe et se perd par convection a travers le verre. 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).

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

• des vitres traitées pour améliorer la transparence par une faible teneur en fer (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 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.

Productivité des capteurs solaires thermiques à fluide caloporteur

Afin de pouvoir déterminer la performance d’un champ solaire thermique, il est souvent recherché la notion d’efficacité ou de rendement, voir de puissance des capteurs. L’efficacité, le rendement et/ou la puissance ne sont pas des données réellement objectives. C’est la notion de productivité au mètre carré qui doit faire référence.

Deux technologies principales s’opposent en solaire thermique: Les capteurs solaires plans et les capteurs solaires à tubes sous vide. S’il est généralement entendu que les capteurs à tubes sous vide sont plus performants que les capteurs solaires plans, c’est qu’il existe (ou a existé) une sorte de battage médiatique et technologique sur les premiers: issus d’une recherche récente, ils apparaissent «meilleurs» que les capteurs plans. Qu’en est-il vraiment?

Les capteurs solaires thermiques plans sont composés d’un caisson isolé par une laine minérale (tenue aux températures élevées > 180 °C), d’un absorbeur sélectif (pour éviter la réémission) et d’une plaque de verre à haute transparence. Les capteurs solaires thermiques à tubes sous vide sont le résultat du montage d’un collecteur (le plus souvent en partie haute) sur lequel est raccordé une série d’absorbeurs sélectifs insérés dans des tubes en double ou simple enveloppe a l’intérieur desquels le vide relatif (1E10-5 Pa, -1 bar relatif ou 0 bar absolu) fait office d’isolant. La température de stagnation des capteurs à tubes sous vide peut atteindre 250 °C.

Les organismes de tests tels que les laboratoires européens (SPF, ICIM, CSTB, TUV, ITW, ...) effectuent, à la demande des fabricants, des tests de performances. Ces tests, homogénéisés par les laboratoires eux-mêmes par des séries permanentes de mesures comparatives, mettent en évidence les caractéristiques essentielles des capteurs:

Le rendement optique (n0, sans dimension), qui doit être le plus élevé possible;

les pertes par convection et conduction (a1, en W/K/m²), le plus bas possible;

les pertes par rayonnement (a2, en W/K²/m²); également le plus bas possible.

Les tests sont effectués suivant une surface de référence: La surface d’absorbeur. C’est la surface sur laquelle les rayons solaires viennent frapper. Mais 2 surfaces supplémentaires sont à considérer: La surface d’entrée (surface dans laquelle les rayons du Soleil sont effectivement entrés dans le capteur) et la surface hors tout (Dépendante des dimensions extérieures du matériel).

Les services commerciaux des fabricants et importateurs de matériels cherchent à afficher les performances de leurs matériels sous leurs meilleurs jours. Ainsi, il est souvent mentionné des caractéristiques n0, a1 et a2 sans faire référence à la surface considérée... Ce serait comme indiquer une consommation sur un véhicule automobile sans notion de vitesse: Cela ne veut rien dire.

Le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) publie les avis techniques des capteurs solaires proposés sur le marché français. Les caractéristiques n0, a1 et a2 sont mentionnées clairement «rapportées à la surface d’entrée». Ce sont donc des valeurs exploitables sous forme de formule.

Le laboratoire suisse SPF (Solartechnik Prüfung Forshung) affiche les résultats des tests de nombreux capteurs solaires thermiques sous la même forme (n0, a1 et a2) exprimant les caractéristiques suivant toutes les surfaces énoncées. Il devient alors aisé de comparer ce qui est comparable, c’est-à-dire à la surface hors tout, la surface réellement occupée par le matériel. En effet, nous ne pourrons jamais mettre plus de matériel que la place qu’il occupe...

Comment calculer des performances réellement comparables? En disposant d’au moins une série de résultats à rapprocher d’une surface donnée (le plus souvent, la surface d’entrée ou d’absorbeur), il devient aisé de calculer les caractéristiques rapportées à la surface hors tout. Ce n’est qu’une règle de trois.

k1 = (Surface d’entrée / Surface hors tout).

k2 = (Surface d’absorbeur / Surface hors tout).

n0 (hors tout) = n0 (entrée) x k1

a1 (hors tout) = a1 (entrée) x k1

a2 (hors tout) = a2 (entrée) x k1

n0 (hors tout) = n0 (absorbeur) x k2

a1 (hors tout) = a1 (absorbeur) x k2

a2 (hors tout) = a2 (absorbeur) x k2

Comparaison des technologies

Courbes de rendement rapportées à la surface d'entrée

Courbes de rendement rapportées à la surface hors tout (brute)

Pour comprendre les courbes affichées ci contre, il est important d’assimiler ce qu’est le DT en solaire thermique : C’est la différence de température entre l’intérieur du capteur solaire thermique et l’extérieur du capteur solaire thermique. L’intérieur étant assimilable à la température du stock (moins les pertes) et l’extérieur étant la température ambiante sous abri.

Ainsi, en plein hiver, lorsque les apports solaires sont limités, nous pouvons considérer, en France, par exemple, que la température sous abri, lorsque le Soleil rayonne et que le champ solaire travaille, est à minima de 0 °C. Dans un tel cas, la température du capteur (et du stock) peut atteindre une cinquantaine de degrés Celsius, pour un champ correctement dimensionné.

Le DT maximal sera donc de 50 °C - 0 °C = 50 °C Vouloir atteindre des températures supérieures demande de sur-dimensionner la surface du champ solaire ce qui sera ensuite préjudiciable au fonctionnement estival.

En été, l’eau chaude stockée dans le volume tampon (ballon d’eau chaude par exemple) peut atteindre 80 °C environ avec une température moyenne de 30 °C sous abri. Le DT maximal sera donc de 80 °C - 30 °C = 50 °C

Nous voyons donc que dans ces 2 cas principaux, nous parlons d’un DT maximal. Il faut donc considérer, lors de l’analyse du rendement des capteurs solaires thermiques la plage allant de 0 °C à 50 °C. Il est d’usage de considérer un DT «moyen» de 30 °C. Analyser le comportement d’un capteur solaire thermique au delà des 50 °C de DT n’apporte rien: nous sommes en dehors de la plage de fonctionnement pour les applications traditionnelles de chauffage de l’habitation et/ou l’eau chaude sanitaire. Par contre, pour une application de production de vapeur (industriel ou un jour la climatisation) les DT à considérer doivent être plus élevés (100 °C et plus).

Les graphiques ci-contre, exploitant les mêmes données mais avec un référentiel différent (surface d'entrée ou surface hors tout), permettent de comparer les deux technologies de capteurs solaires thermiques à fluide (capteur plan et capteur à tubes sous vide). Les deux capteurs retenus sont parmi les meilleurs capteurs des deux technologies jamais produits. Les caractéristiques de performances (rapportées à la surface d’entrée) sont les suivantes :

• Capteur plan : n0= 0,85 / a1= 3,3 / a2= 0,01 / SE= 2,0 m² / SHT = 2,2 m²
• Capteur à tubes sous vide : n0= 0,76 / a1= 0,6 / a2= 0,015 / SE = 3,0 m² / SHT = 4,4 m²
• Rayonnement : 1000 W/m²

La surface hors tout (brute) étant la surface occupée réellement par le champ solaire, il est important de vérifier la performance (le rendement) du champ par rapport à cette surface et non la surface d’entrée (surface « opérationnelle ») des capteurs.

Ainsi, suivant le rayonnement donné (1 000 W/m²) et à surfaces hors tout identiques (4,4 m²), la puissance instantanée, avec un DT de 30 °C sera de :

• 1 000 x 0,7 x 4,4 m² soit 3 080 W pour le capteur plan ;
• 1 000 x 0,5 x 4,4 m² soit 2 200 W pour le capteur à tubes sous vide.

Le capteur plan produit donc 40% de plus que le capteur à tubes sous vide! Les coefficients de 0,7 et 0,5 sont les résultantes des courbes de rendements avec un DT de 30°C et une correction en fonction de leurs rapports de surfaces (entrée / Hors Tout).

Bien sûr, ce n'est qu'une estimation et il est prudent de se référer à des outils normalisés pour avoir une comparaison objective. Voici donc 4 notes de calcul de dimensionnement et de résultats de production d'eau chaude sanitaire comparant les performances des deux technologies de capteurs à fluide caloporteur (tube et plan) effectuées avec un logiciel certifié, commercialisé par une filiale du très sérieux laboratoire Suisse SPF, VELASOLARIS. Le tableau reprend les données essentielles en comparaison, sur deux zones géographiques distinctes : Aix en Provence (France-Sud) et Bruxelles (Belgique).

Comparaison Tube/Plan sur 4,4 m² de surface hors tout, à Bruxelles (Belgique), sur un ballon de 300l et une consommation de 200 l/j à 50 °C

Résultats	Tube	Plan	Écart (%) plan/tube
Taux de couverture en %	44	52	(-)18 %
Production annuelle du champ de capteurs	1 669 kWh	2 015 kWh	(-)20 %
productivité (au m2)	379 kWh	458 kWh	(-)20 %

Comparaison Tube/Plan sur 2,2 m² de surface hors tout, à Aix en Provence (France Sud), sur un ballon de 300 l et une consommation de 200 l/j à 50 °C

Résultats	Tube	Plan	Écart (%) plan/tube
Taux de couverture en %	41,7	53,3	(-)28 %
Production annuelle du champ de capteurs	1 576 kWh	2 076 kWh	(-)32 %
productivité (au m2)	716 kWh	944 kWh	(-)32 %

Ces deux tableaux, en comparaison, mettent en évidence plusieurs éléments :

1. Il faut une surface doublée pour obtenir un même taux de couverture solaire si l'on est à Bruxelles plutôt qu'à Aix en Provence ;
2. Proportionnellement, le capteur à tubes sous vide "produit" mieux à Bruxelles qu'à Aix en Provence (-18 % ⇔ -28 %) mais reste toujours avec une production entre 20 % et 30 % inférieure au capteur plan ;
3. Moins l'on place de surface de capteur et plus la productivité au m² est importante.

Sources :

• http://www.solaire-panneau-thermique.com/12/CESI/WIKIDEMO_PLAN_ECS_BELGIQUE.pdf
• http://www.solaire-panneau-thermique.com/12/CESI/WIKIDEMO_TUBE_ECS_BELGIQUE.pdf
• http://www.solaire-panneau-thermique.com/12/CESI/WIKIDEMO_PLAN_ECS_FRANCE_SUD.pdf
• http://www.solaire-panneau-thermique.com/12/CESI/WIKIDEMO_TUBE_ECS_FRANCE_SUD.pdf

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

Le taux de couverture des besoins cumulés (Chauffage + Eau chaude) peut aller jusqu’à 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 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...

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

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

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 50 % des besoins de chauffage et 75 % 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

Mise en œuvre d'un plancher solaire

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 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 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.

De par 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 sont cependant beaucoup plus rares.

Climatisation solaire

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

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'un source froide.

Articles connexes

• Panneau solaire
• Module solaire photovoltaïque
• Four solaire
• Chauffe-eau solaire
• Tenerrdis
• Mur Trombe

Liens externes

• (fr) Parabole Stirling destiné à la production d'électricité solaire thermique (CNRS)
• (fr) Autoconstruction d'un chauffe-eau solaire
• (fr) Capteur solaire thermique à air Le fluide caloporteur peut être de l'air

Notes et références

1. ↑ comparatif par outilssolaires.com