Introduction

Le capteur solaire thermique (ou capteur (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...) hélio-thermique ou simplement capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une...) solaire) est un dispositif conçu pour recueillir l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) provenant du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...) et la transmettre à un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) caloporteur. En complément du panneau solaire (Un panneau solaire est un dispositif destiné à récupérer le rayonnement solaire...) (ou panneau photovoltaïque), qui transforme la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) (les photons) en électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...), le capteur solaire -thermique- récupère l’énergie envoyée par le Soleil sous forme de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) (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 (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) qu'ils permettent d'atteindre.

On distingue généralement les capteurs à air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) des capteurs à eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...).

Les capteurs à air permettent, par l’apport d’air réchauffé, d’augmenter la température de l’air ambiant interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) de quelques degrés Celsius. Le capteur à air est constitué principalement d’un caisson isolé recouvert d’une vitre teintée. L’air froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) 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 (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un...) 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 (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux...) absorbante, le tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) 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 vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.). Le principe est le même que pour les capteurs plans vitrés, l’isolation étant simplement assurée par l’absence de molécules d’air (vide).

Productivité des capteurs solaires thermiques à fluide caloporteur

Afin de pouvoir déterminer la performance d’un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) solaire thermique, il est souvent recherché la notion d’efficacité ou de rendement, voir de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) des capteurs. L’efficacité, le rendement et/ou la puissance ne sont pas des données réellement objectives. C’est la notion de productivité au m2 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 (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) 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 ré-emission) et d’une plaque de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...) à haute transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la...). 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 de d’absorbeurs sélectifs insérés dans des tubes en double ou simple enveloppe a l’intérieur desquels le vide relatif (1E10-5Pa, -1bar relatif ou 0bar 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 (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) (n0, sans dimension), qui doit être le plus élevé possible;

les pertes par convection (La convection est un mode de transfert d'énergie qui implique un déplacement de...) et conduction (a1, en W/K/m²), le plus bas possible;

les pertes par rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) (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 (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) 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 (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un...) automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un...) sans notion de vitesse (On distingue :): Cela ne veut rien dire.

Le Centre Scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) et Technique du Batiment (CSTB) publie les avis (Anderlik-Varga-Iskola-Sport (Anderlik-Varga-Ecole-Sport) fut utilisé pour désigner un...) 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 (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) (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 3.

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

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 (L'hiver est une des quatre saisons des zones tempérées.), 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 Celcius, pour un champ correctement dimensionné. Le DT maximal sera donc de 50°C - 0°C = 50°C Vouloir atteindre des températures supérieures demande à sur-dimensionner la surface du champ solaire ce qui sera ensuite préjudiciable au fonctionnement estival.

En été, l’eau chaude stockée dans le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) tampon (ballon d’eau chaude par exemple) peut atteindre 80°C environ avec une température moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) 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 (La Plage est un film anglo-américain réalisé par Danny Boyle en 2000 et adapté...) 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 (La géomorphologie définit une plage comme une « accumulation sur le bord de mer de...) 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 (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) 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= 2,0m² / SHT = 2,2m²

Capteur à tubes sous vide: n0= 0,76 / a1= 0,6 / a2= 0,015 / SE = 3,0m² / SHT = 4,4m²

Rayonnement: 1000W/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 (1000W/m²) et à surfaces hors tout identiques (4,4m²), la puissance instantanée, avec un DT de 30°C sera de: 1000 x 0,7 x 4,4m² soit 3080W pour le capteur plan; 1000 x 0,5 x 4,4m² soit 2200W pour le capteur à tubes sous vide. Le capteur plan produit donc 40% de plus que le capteur à tubes sous vide!