Capteur solaire thermique - Définition
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Introduction
Le 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).
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 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 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 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 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 (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 Batiment (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 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, 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 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= 2,0m² / 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!