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Energie solaire thermique |
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Le solaire thermique actif permet de récupérer la chaleur du rayonnement solaire au sein d'un fluide, parfois de l'air*, le plus souvent de l'eau, par la mise en oeuvre de capteurs solaires. Ces techniques peuvent assurer la production d'eau chaude sanitaire ou d'eau distillée, le chauffage des piscines et des habitations ainsi que le séchage de céréales, par exemple.
* la distinction entre le passif et l'actif est parfois controversée, comme dans le cas de murs trombe (à air).
... En cours de réalisation ...
... En cours de réalisation ...
Nous passerons rapidement sur les capteurs à concentration, dont l'utilisation en Région wallonne est aléatoire. Ce type de capteurs ayant besoin, en effet, du rayonnement solaire direct (lorsque le soleil est visible),on constate de manière évidente que leur utilisation restera très limitée (entre 1.500 et 1.700 heures d'ensoleillement par an en moyenne).
Les concentrateurs solaires utilisent des surfaces réfléchissantes
(miroirs) paraboliques ou cylindro-paraboliques pour concentrer les rayons
solaires respectivement dans le foyer ponctuel ou dans le foyer linéaire
de ces surfaces. Dans le foyer ponctuel ou le long du foyer linéaire
se trouvent les récepteurs (absorbeurs) qui captent la chaleur solaire
ainsi concentrée.
Naturellement, ces concentrateurs doivent suivre le mouvement du soleil.
Dans un concentrateur cylindro-parabolique, le fluide caloporteur (eau,
huile thermique ou gaz) peut être porté à environ 400C.
Dans les concentrateurs paraboliques, on peut obtenir des températures
plus élevées (jusqu'à 1.500C). Ces types de collecteurs
solaires sont plus adaptés pour la production de chaleur industrielle
et d'électricité.
Trois fonctions lui incombent:
Pour limiter les pertes par réémission de rayonnement infra-rouge, il importe que l'absorbeur possède aussi la propriété d'émissivité superficielle la plus faible possible (valeur inférieure à 0,15). Dans ce cas, l'absorbeur sera qualifié de sélectif.
Après transformation du rayonnement en chaleur sur la face superficielle
exposée, il y a lieu de transmettre cette chaleur le plus possible
au fluide. Pour ce faire, il importe que la plaque soit métallique
car seuls les métaux ont de bons coefficients de conduction de la
chaleur (cuivre: 300 - aluminium: 200 - acier: 60). Plus le coefficient
de conduction est faible et plus la plaque doit être épaisse,
ce qui augmente le prix, le poids et l'inertie de l'absorbeur.
Quel que soit le système, le contact entre les tuyaux véhiculant
le fluide et la plaque absorbante doit être très intime: soit
par emboutissage, soit par soudure. De même, l'espacement entre les
tuyaux devra être rigoureusement calculé en fonction du diamètre
du tuyau, de l'épaisseur de la plaque et des matériaux employés
(des formules de calcul existent à ce sujet dans les ouvrages spécialisés).
Les tuyaux de circulation du fluide en contact avec l'absorbeur seront
de préférence placés en parallèle plutôt
qu'en serpentin.
Le capteur devant recevoir le rayonnement solaire, il est nécessairement en contact avec le milieu extérieur dont les conditions de température et de climat risquent de perturber considérablement son bon fonctionnement.
Des capteurs nus, c'est-à-dire sans vitrage et sans isolation, sont cependant commercialisés pour le chauffage des piscines. Ce type de capteurs ne peut fonctionner, en Belgique, que lorsque l'ensoleillement est important, la température extérieure est élevée et le vent quasi nul, ce qui limite leur utilisation exclusivement aux mois d'été.
Limiter les pertes par transmission vers l'extérieur du capteur est primordial si on cherche à optimaliser les performances de ce dernier. Nombreux sont les produits isolants qui peuvent convenir pour l'isolation arrière et latérale, mais il faut veiller à leur tenue à la température car une coupure de circulation peut faire monter la température intérieure du capteur à plus de 150C en été.
Vers l'avant, comme le rayonnement solaire doit arriver par l'absorbeur, on ne peut utiliser que des matériaux transparents: verre en simple ou double vitrage, trempé ou non, armé ou non, ou certains matériaux plastiques ayant la propriété de réaliser l'effet de serre (c'est le cas de matériaux comme le polycarbonate, le métacrylate et le tedlar). Les inconvénients du verre sont sa fragilité, son poids et son prix élevé en double vitrage. L'inconvénient principal des matériaux plastiques est la dégradation de certaines de leurs propriétés, avec le temps pour certains, ou le prix élevé pour d'autres.
Les pertes par transmission peuvent également être éliminées en plaçant l'absorbeur sous vide, ce qui permet d'obtenir un rendement élevé même à hautes températures. Ce type de capteur est d'ailleurs surtout utilisé pour certaines applications demandant des températures plus élevées du fluide caloporteur (jusqu'à 150C).
L'énergie captée par le collecteur solaire et transformée en chaleur est cédée au fluide caloporteur et transférée vers un réservoir de stockage d'énergie.
Ce transfert se fait soit par circulation naturelle, soit par circulation
forcée.
Dans ces installations, le transfert d'énergie est basé
sur la plus faible densité de l'eau chaude qui confère à
celle-ci un mouvement ascendant.
L'eau entrant par le bas du capteur est échauffée par l'ensoleillement et sort en partie haute pour rejoindre le ballon de stockage situé à au moins 60 cm au-dessus du capteur. Un appoint (résistance électrique ou apport quelconque de chaleur via un échangeur) est intégré dans la partie supérieure du stockage alors que l'eau chaude solaire en occupe la partie basse.
Lorsqu'il n'y a pas d'ensoleillement, seule l'eau située dans la partie supérieure du ballon est chauffée par l'appoint. Ceci évite de chauffer toute l'eau à condition qu'il y ait une stratification des couches en fonction de la température. Cette stratification existe dans les ballons bien conçus: l'eau chaude se trouve en partie supérieure et l'eau froide en bas.
Lorsque le capteur est échauffé par le soleil, le fluide caloporteur, c'est-à-dire l'eau sanitaire dans ce cas, se met en mouvement pour rejoindre le ballon. Ce dernier se vide à sa base d'une quantité correspondante d'eau froide qui retourne au capteur. En cas d'utilisation d'eau sanitaire, l'eau chauffée par le soleil va monter de la partie inférieure du ballon à la partie supérieure. Si ce système est simple et donc peu coûteux, il présente en revanche quelques inconvénients:
Dans ce cas, il a deux circuits: l'un dit "primaire" contient l'eau qui est échauffée dans le capteur tandis que le circuit "secondaire" est alimenté par l'eau sanitaire à réchauffer.
Le transfert de chaleur se fait par un échangeur situé dans le ballon. L'appoint est située en dehors du stockage. Comme la circulation n'est pas forcée, on veillera, comme dans le système précédent, à placer le bas du ballon au moins 60 cm au-dessus du haut du capteur et à simplifier au maximum le circuit de canalisations. Le double circuit a l'avantage d'éviter la purge du système en cas de gel.
Le placement de l'appoint à l'extérieur de ballon permet
au capteur de fonctionner librement sans que l'apport réalisé
par l'appoint devienne excessif. Par contre, ce type d'installation est
plus coûteux et la présence de l'échangeur nécessite
que le capteur travaille à plus haute température ce qui
diminue son rendement.
L'installation utilise ici, en plus des éléments utilisés dans les systèmes précédents, une pompe de circulation commandée par une régulation de température.
Le rôle de la pompe de circulation est de permettre un transfert plus rapide des calories captées par l'absorbeur vers le réservoir de stockage. L'utilisation de cette pompe permet aussi d'interrompre le transfert de chaleur lorsque l'eau des capteurs n'est pas plus chaude que celle contenue dans le réservoir.
C'est le rôle de la régulation de comparer les deux températures (à la sortie du capteur solaire et dans le réservoir de stockage) et de commander la pompe de circulation uniquement lorsque la première température est supérieure à la deuxième. En pratique, les régulateurs disponibles sur le marché permettent à l'utilisateur de fixer indépendamment la différence de température à l'enclenchement (entre 5 et 10C) et au déclenchement du circulateur (entre 2 et 5C).
Sous les climats à ensoleillement variable, ces systèmes donnent de meilleurs performances. Ils sont donc à conseiller pour une utilisation en Belgique. Par contre, sous des climats à ensoleillement constant, les systèmes à thermocirculation offrent des performances équivalentes, et seront plutôt conseillés pour leur prix plus faible, leur coût de fonctionnement nul et une meilleure fiabilité.
Il faut encore signaler deux remarques non négligeables:
Le stockage de l'énergie est une exigence fondamentale de pratiquement
tout système solaire actif. Ce stockage peut se faire sous forme
thermique ou chimique.
Les systèmes de stockage sont classifiés comme suit:
Dans le cas du stockage sous forme de chaleur sensible, une matière (le plus souvent de l'eau, des pierres ou une huile thermique) est portée à une température plus élevée chaque fois qu'il se produit un excédent de chaleur, et refroidie lorsque nécessaire. Dans ces systèmes, on a toujours besoin d'un réservoir et aussi le plus souvent d'une surface d'échange. Le prix de revient de ces éléments est géralement le facteur qui limite son application économique.
Le stockage de chaleur à base de chaleur latente peut se faire à l'aide d'une matière qui passe d'une phase à une autre (par exemple solide-liquide) et exige pour ce faire un grand apport de chaleur dans un sens, tandis que la transformation inverse libère une grande quantité de chaleur. Si on choisit avec soin la température de fusion de la matière utilisée, la capacité thermique d'un stock à changement de phase par unité de volume peut être sensiblement plus élevée que dans les systèmes de stockage à eau ou à lit de pierres.
Par stockage chimique, on entend les systèmes où un élément est décomposé sous l'effet d'un apport de chaleur, après quoi les produits de la réaction sont séparés puis stockés ce qui en principe ne pose aucune limite dans le temps. Pour rendre l'énergie à nouveau disponible, il suffit de faire réagir les produits de la décomposition pour reconstituer les éléments originaux suivant une réaction exothermique. Ces systèmes en sont encore actuellement au stade de la recherche.
L'utilisation thermique de l'énergie solaire présente, outre tous les avantages des énergies renouvelables, ses avantages propres, à savoir:
L'énergie solaire thermique active a toutefois certaines limites:
Les capteurs solaires constituent ici ce que l'on appelle une toiture
solaire intégrée puisque c'est un pan complet de toiture
qui est couvert des 45 m2 utiles de capteurs solaires. Ceux-ci sont constitués
d'absorbeur à surface sélective et recouverts de panneaux
en polycarbonate.
La distribution de la chaleur dans la maison se fait à basse
température dans le sol. L'appoint est assuré par un poêle
à bois. La couverture solaire atteint 75% des besoins, besoins qui
ne sont cependant pas très élevés, la surface plancher
étant de 100 m2 et les parois bien isolées (8 cm de polystyrène
extrudé dans les murs et 12 cm de laine de verre en toiture).
L'installation fonctionne avec satisfaction depuis l'hiver 84-85.
Les laboratoires Neyrac Films, spécialisés dans le traitement des films cinématographiques 16 mm, utilisent pour le rinçage des films, lors de leur développement, d'importantes quantités d'eau chaude à une température de 20 à 40C selon le procédé. Jusqu'alors produits par des chaudières à fuel domestique, les 1.500.000 kcal quotidiennes sont maintenant fournies pour une partie par un récupérateur placé sur les eaux de rejet et pour une autre partie par une installation solaire. L'appoint continue à être fourni par des chaudières à fuel domestique.
L'installation solaire est constituée de 250 m2 de capteurs à revêtement sélectif et une seule vitre; sa puissance instantanée peut atteindre 175 kW. Le circuit solaire où circule un mélange eau-antigel est couplé au circuit d'eau industrielle par un échangeur à plaques. Le stockage est constitué de 2 ballons en parallèle de 10 m3, isolés thermiquement avec 6 cm de laine de verre.
L'ensemble de l'opération (récupérateur compris) a coûté près de 2,6 millions de FB. L'économie de combustible atteint 38.000 litres dont plus de 20.000 pour le système solaire.
Cette installation exemplaire devrait inspirer d'autres entreprises
utilisant de grandes quantités d'eau chaude à basse température,
même dans des régions moyennement ensoleillées.
Une technique récente, déjà bien expérimentée dans la Région Rhône - Alpes en France.
Apparu dans le Sud de la France il y a une dizaine d'années, le Plancher Solaire Direct (PSD) est issu de travaux menés par l'Ecole Supérieure d'Ingénieur de Marseille. Il résulte d'une simplification très importante des techniques de chauffage solaire actif utilisées jusqu'alors.
Le fluide chauffé par les capteurs solaires circule directement dans un plancher sans passer par un réservoir de stockage. La masse de béton de sol assure les fonctions de stockage de l'énergie et de déphasage de sa restitution dans le volume chauffé.
Raccordés à une distribution basse température, les capteurs travaillent avec un meilleur rendement, étant donné que toutes les pertes intermédiaires (échangeurs, stock) qui existaient auparavant sont supprimées. La chaleur solaire est utilisée également pour le préchauffage de l'eau chaude sanitaire en mi-saison et sa production complète en été.
La productivité des capteurs atteint des valeurs de 400 à 450 kWh/m2 par an dans la Région Rhône-Alpes, région caractérisée par une période de chauffe relativement longue et par un ensoleillement généreux.
Depuis 1985, plus de 70 installations en maison individuelle ont été réalisées dans la Région, ainsi qu'une dizaine d'équipements collectifs. Ces réalisations totalisent près de 2.600 m2 de surface de capteurs solaires installés, réparties de façon égale entre les bâtiments collectifs et individuels.
Ateliers de la Rue Voot
Jean Motllo
Construction de capteurs solaires
(atelier de techniques solaire et d'énergie douce: chaque mardi
de 18 à 22h. et samedi de 9h.30 à 13h.)
91, r. Voot
B-1200 Bruxelles
Tel : +32 2 762 48 93 Fax : 779 01 05
Four solaire
F-66210 Mont-Louis
Tél.: +33 (0)4 68 04 14 89
Four d'Odeillo
Association "Plus fort que 10 000 soleils"
Tél.: +33 (0)4 68 30 77 86
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Présentation et logogrammes solaires adaptés
pour le Web par Axelle Bartholomeus