1. L’énergie Solaire thermique

L'énergie solaire thermique est une forme d'énergie solaire. Elle désigne l'utilisation de l'énergie thermique du rayonnement solaire dans le but d'échauffer un fluide (liquide ou gaz). L'énergie reçue par le fluide peut être ensuite utilisée directement (eau chaude sanitaire, chauffage, etc.) ou indirectement (production de vapeur d'eau pour entraîner des alternateurs et ainsi obtenir de l'énergie électrique, production de froid, etc.).

2. Principe de fonctionnement d’un capteur solaire

Toutes surfaces éclairées par les rayonnements solaires en absorbent une partie et se réchauffe. Une surface peinte en noir absorbe d’avantage l’énergie. Placée dans une boite
fermée par une vitre et correctement isolée, cette surface dissipe moins de chaleurs dans l’air
ambiant. On peut alors utiliser la chaleur ainsi emmagasinée pour chauffer l’eau chaude.

On considère le capteur solaire comme le lien entre l’énergie solaire incidente et le
consommateur. Le capteur transforme aussi efficacement que possible le rayonnement solaire
en chaleur. Le cœur du capteur est l’absorbeur noir, qui s’échauffe sous l’effet du
rayonnement solaire. Il est construit de manière à contenir un fluide dont la circulation
permettra de transférer la chaleur captée vers l’utilisateur

Les capteurs solaires peuvent être des simples capteurs plans non vitrés, des coffres ou
de type vitré ou des systèmes complexes des miroirs.

3. Les capteurs solaire thermique

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 :

3.1.      Les capteurs plans : le fluide passe dans un serpentin sous une vitre ; ils sont peu coûteux, fonctionnent avec un bon rendement, surtout pendant l'été. Il existe trois familles dans les capteurs plans:

 a. Les capteurs non-vitres « ou capteur moquette »

Ils sont constitués de tubes noirs accoles en plastique dans lesquels circule l'eau du circuit de filtration comme indiqué sur la figure 2.1. Ils présentent les avantages suivants :

  • Très bon rendement à température ambiante ;
  • Température en sortie peu élevée (≈ 40°C) ;
  • Appliques au chauffage des piscines.

Figure.2.1 : Capteur solaire non-vitres.

b. Les capteurs vitrés

L’utilisation du vitrage : permet de créer un effet de serre. La vitre transmet le rayonnement solaire mais pas celui n’émit par l'absorbeur. Les pertes thermiques par rayonnement et par convection du capteur sont réduites. Un exemple illustratif de ce type de capteur est donné sur la figure 2.2. Les composants de ce capteur présentent les caractéristiques suivantes :

  • Absorbeur

   -        Forte absorptivité au rayonnement solaire

   -        Faible émissivité

   -        Forte conductivité thermique

   -        Cuivre, Aluminium, Acier

  • Couverture

   -        Importante pour réduite les pertes

   -        Verre voire polycarbonate (η ≈ 90 %)

   -        Simple, double voire triple vitrage pour les sites en climat froid

  • Isolant

   -        Laine minérale, mousses de polyuréthane

  • Tubes

   -        Fortement conducteurs de chaleur pour assurer l'évacuation de l'énergie et éviter la

surchauffe inoxydable

Figure.2.2: Capteur solaire vitré.

c. Les capteurs sous vides

Les capteurs sous vide présentent les caractéristiques suivantes :

    -        Meilleur rendement que les précédents ;

    -        Température plus élevées en sortie ;

    -        Tubes de 5 à 15 cm de diamètre ;

    -        Pression : < 10-3 Pa ;

    -        Nombreuses innovations

Figure.2.3: Capteur solaire sous vide.

3.2. Les capteurs à concentration :

Un capteur à concentration est un capteur solaire comportant un système optique (réflecteur, lentilles, ...) destiné à concentrer sur l'absorbeur le rayonnement ayant traversé l'ouverture. Il y a trois grandes familles de technologie de concentration solaire.

a. Les centrales cylindro-paraboliques

Sont les plus développées et dominent clairement le marché. Dans ce genre de systèmes, la concentration du rayonnement sur un seul foyer permet d’obtenir une haute température.

Figure.2.4: Exemple de concentrateur cylindro-paraboliques.

b. Les centrales à tour

Le principe des centrales à tour est le suivant : des héliostats au sol réfléchissent les rayons du soleil vers une chaudière en haut d’une tour où un liquide (généralement du sel fondu) est chauffé jusqu’à 2000°C, comme indiqué sur la figure.2.5. Ce liquide porte ensuite à ébullition de l’eau dont la vapeur actionne des turbines et produit de l’électricité.

Figure.2.5 : Exemple de centrale à tour.

3.2. Les concentrateurs paraboliques

Les capteurs paraboliques fonctionnent d'une manière autonome. Ils sont constitués d’une grande parabole de révolution réfléchissante et d’un moteur « Stirling » au foyer de la parabole. Le tout pivote sur 2 axes pour suivre le déplacement du soleil afin de concentrer son rayonnement sur le foyer de la parabole réfléchissante. Des exemples de ce type de concentrateurs sont illustrés sur la figure.2.6. Le rapport de concentration est généralement d’environ 4000 et la température obtenue entre 500 et 1000°C. Ainsi, la chaleur du soleil fait travailler un fluide comprimé afin de générer de l'électricité.

 

 

Figure.2.6: Exemples de concentrateurs paraboliques.

4. Fonctionnement d’une installation solaire thermique           

Résumé du fonctionnement des différents composants d’une installation solaire thermique :

4.1.      Capte les rayons solaires :

-        Les rayons solaires sont captés par l’intermédiaire de capteurs solaires, généralement placés sur le toit ;

-        La vitre des capteurs laisse passer le rayonnement et, par un effet de serre, retient les infrarouges émis par l’absorbeur (plaque métallique noire).

4.2.      Circulation du fluide caloporteur  

Le fluide caloporteur est composé d’eau et d’antigel circulant dans des tubes de cuivre : c’est ce liquide qui récupère les calories du capteur, il peut circuler naturellement (sans pompe) ou en mode forcé (avec pompe)

-        Mode naturel :

    • Principe du chauffe-eau à thermosiphon, le liquide caloporteur circule en fonction de sa différence de densité avec l’eau : plus chaud, donc moins dense que l’eau du ballon, le fluide s’élève par thermo circulation.
    • Le ballon doit être placé plus haut que les capteurs

-        Mode forcé :

    • Par l’intermédiaire d’une pompe de circulation, le liquide transmet l’énergie à un échangeur thermique qui se trouve dans le bas du ballon.
    • L’échangeur transmet la chaleur à l’eau.

 4.3.      Régulation

-        Le régulateur commande le circulateur (pompe) qui met en mouvement le fluide caloporteur.

-        Si la température de la sonde du ballon est plus chaude que les capteurs, le régulateur coupe la circulation.

-        Dans le cas contraire, le circulateur est remis en route et le liquide caloporteur réchauffe l’eau.

4.4.      Appoint pour chauffer le ballon

-        L’ensoleillement n’est pas toujours régulier, il faut prévoir un appoint pour chauffer l’eau du ballon.

-        Cela peut être une résistance placée dans le ballon ou bien un échangeur raccordé à une chaudière (bois, fioul ou gaz) située en aval du ballon.

-        Une pompe à chaleur est possible pour l’appoint.

4.5.      Stockage de l’eau

-        L’eau est stockée dans un ballon solaire parfaitement isolé où se trouve une cuve métallique

-        L’eau chaude puisée est remplacée en même quantité par de l’eau froide et immédiatement chauffée par le fluide caloporteur par l’intermédiaire du circuit

5. Applications de l'énergie solaire thermique

  • Production d’énergie électrique
  • Production d’eau chaude sanitaire
  • Chauffage des locaux
  • Chauffage des piscines

5.1.      Exemple de fonctionnement d’un chauffe-eau solaire

Un panneau solaire thermique a pour but de transmettre la chaleur émise par le soleil à un circuit d'eau secondaire. Les rayons du soleil traversent la vitre, à l'intérieur une plaque absorbante qui a pour but de capter les rayons infrarouges. Derrière cette plaque chaude passe un circuit d'eau qui récupère cette chaleur. Par la suite ce circuit alimente un circuit secondaire qui peut alimenter une habitation en eau sanitaire ou en chauffage.

La circulation de l'eau peut se faire par simple phénomène physique, l'eau chaude est moins dense que l'eau froide. C'est pour cela que sur le schéma l'eau chaude est toujours au-dessus de l'eau froide.

Figure.2.7: Principe d'un panneau solaire thermique pour l'eau chaude sanitaire.

Les composantes du chauffe-eau solaire de la figure.2.7, ainsi que du système intégré dans le bâtiment sont les suivants:

    • Le capteur solaire qui servira à la transformation du rayonnement solaire en chaleur ;
    • Le réservoir de stockage de la chaleur jusqu’au moment de l’utilisation ;
    • La boucle primaire qui aura pour objectif le transfert de chaleur entre le capteur et le réservoir ;
    • Système de régulation du transfert de chaleur vers le réservoir (s’arrête quand Tréservoir>Tcapteur) ;
    • La chaudière servira comme une énergie d’appoint lorsqu’il n’y aura pas assez de soleil.

6. Avantages et inconvénients       

6.1.      Les avantages

-        Rendement élevé (jusqu'à 80%) ;

-        Source d'énergie inépuisable et propre;

-        La technologie solaire thermique est simple, peu onéreuse et facilement accessible sur le marché ;

-        Il est facile de stocker temporairement la chaleur ;

6.2.      Les inconvénients

-        La production de chaleur dépend des saisons et des climats ;

-        L'énergie solaire thermique reste une énergie coûteuse par rapport au chauffage par énergie fossile             à cause d'investissements assez lourds ;

-        Durée de vie des panneaux généralement limitée à 20 ans ;

-        Certains panneaux sont très sensibles et peuvent être endommagés par certaines conditions météorologiques (grêle, gel...).

Modifié le: samedi 6 novembre 2021, 12:18