LEÇON 3: LES CAPTEURS SOLAIRES THERMIQUE(CAPTEURS BT)
3. Généralités
Un capteur solaire thermique est un dispositif conçu pour recueillir l’énergie solaire transmise par rayonnement et la transférer à un fluide caloporteur (gaz ou liquide) sous forme de chaleur. Généralement, on en distingue trois grandes familles regroupant chacune différentes typologies : Les capteurs stationnaires : Plans non vitrés, plans vitrés, à tubes sous vide. Les concentrateurs à un axe de rotation :Cylindro-paraboliques, miroirs de Fresnel. Les concentrateurs à deux axes de rotation : Paraboliques, tour solaire.
N.B : Le rôle d’un capteur solaire thermique est de convertir le rayonnement solaire en chaleur
3.1 Les capteurs plans
Pour capter l’énergie provenant du rayonnement solaire, il existe plusieurs sortes de capteurs solaires. On peut les distinguer en fonction de leur type d’utilisation, de la nature du fluide caloporteur utilisé et de la température atteinte. Cependant, la production de chaleur d’origine solaire à des niveaux de basse température n’a pas forcément la nécessité d’utiliser des capteurs à forte concentration qui produisent seulement avec le rayonnement direct. Nous présentons, dans ce qui suit une brève description de trois types de capteurs solaires thermiques à basse température les plus usuels.
3.1.1 Capteur plan non vitré : C’est le modèle le plus simple, le plus économique mais le moins performant. Il est généralement constitué d’une simple plaque de métal ou de matière plastique (absorbeur) sur laquelle sont collés plusieurs tubes porteurs de fluide caloporteur. Les capteurs plans non vitrés ne sont pas isolés sur la face avant, c’est pourquoi ils répondent mieux à des applications à basse températures (inférieure à 30°C). Le domaine d’utilisation principal de ce type de capteurs est le chauffage des piscines extérieures.
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3.1.2Capteur plan vitré : Ce type de capteur est généralement utilisé dans les installations de chauffage de l’eau sanitaire ou des locaux. La température de fonctionnement est généralement comprise entre 30°C et 60°C. Il est constitué d’une caisse isolée couverte par un vitrage. A l’intérieur, on retrouve l’absorbeur dans lequel circule le fluide caloporteur. Le vitrage bloque le rayonnement infrarouge et isole la lame d’air au-dessus de l’absorbeur pour garder la chaleur.
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3.1.3 Capteur à tube sous vide : Les capteurs solaires “sous vide” sont composés d’une série de tubes en verre transparents Dans chaque tube il y a une plaque absorbante pour capter le rayonnement solaire et un échangeur pour favoriser le transfert de l’énergie thermique. Les tubes sont mis sous vide pour éviter les déperditions thermiques convectives de la plaque absorbante et la plaque absorbante reçoit un traitement sélectif pour empêcher le rayonnement à se dissiper sous forme de grande longueur d’onde.
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3.2 Capteur et taux de couverture solaire
Taux de couverture : Pourcentage annuel d’énergie nécessaire à la production d’eau chaude sanitaire pouvant être couvert par l’installation solaire
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La puissanceutile est celle qui permet de réchauffer le débit de fluide caloporteur, de la température d’entrée Tentrée jusqu’à la température de sortie Tsortie: Eu = m.Cp.(Tsortie – Tentrée )
La puissance utile Eu que l’on peur récupérer d’un capteur solaire dépend de nombreux paramètres, à savoir des paramètres extérieurs :
E: la puissance solaire incidente sur le plan du capteur(W/m2)
Tm: la température moyenne du capteur (approximée à la moyenne entre les températures d’entrée et de sortie de capteur) (en °C)
Tex: température extérieur (en °C)
Et des paramètres définissant le capteur :
β: le facteur optique du capteur, qui est le rapport entre l’ensoleillement absorbé par l’absorbeur et l’ensoleillement incident sur le vitrage .Ce facteur optique est le produit du facteur de transmission du vitrage τ par le coefficient d’absorption de l’absorbeur α
K: le coefficient de déperdition thermiques (W/°C)
Le bilan thermique en régime stationnaire du capteur exprime que la puissance ταE se répartit entre la puissance utile Eu et les pertes thermiques: ταE = K(Tm – Text) + m.Cp.(Tsortie – Tentrée )
Eu est donc égale à la partie de la puissance incidente traversant le vitrage et absorbée par l’absorbeur, diminuée des déperditions thermiques (proportionnelle à l’écart de température etre le capteur et l’ambiance): Eu = βE – K(Tm – Text) . le rendement du capteur η, définit comme étant le rapport entre la puissance utile Eu et la puissance incidente E, s’obtient donc avec l’expression suivante: η = τα – K(Tm – Text)/E
3.3 Stockage: Ballon solaireLes ballons de stockage servent d’accumulateur entre l’apport de chaleur fourni par le rayonnement solaire et la consommation énergétique de l’utilisateur final.[smartslider3 slider=”161″]
3.4 Régulation thermique :la régulation thermique est l’ensemble des techniques visant à contrôler la température et d’autres paramètres d’un système de chauffage.
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3.4.1 Evolution de la régulation
Certain régulateurs intègrent des fonctions de comptage permettant de d’établir un bilan énergétique du système ainsi que des options de téléreport(téléalarme, télé-suivi, télécontrôle )
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3.5 Bien dimensionner
3.5.1 Etapes :
Détermination de la proportion des besoins couverte par l’énergie solaire.
Estimation des KWh solaires fourni par le SCS.
Analyse économique (Quelles économies le SCS procure-t-il ?).
Choix du système solaire thermique le plus performant.
3.5.2 Exemple : Ressource solaire, rendement et production énergétique : exemple Toulousain (préconisations de l’ADEME/SOLAGRO pour le chauffage d’un logement type : CESI et SSC).Ressource solaire à Toulouse : 1500 kWh/m² par an(Flux solaire incident annuel par m² de capteur solaire )
Consommation énergétique foyer type peu énergivore: 13500kWh/m2
Détail: 4500kWh/an énergie électrique + 9000kWh/an d’énergie thermique (6000kWh/an pour le chauffage seul et 3000kWh/an pour l’eau chaude sanitaire)
Rendement énergétique d’un capteur solaire thermique : 40% soit un productible équivalent à 1500×0.4 = 6000kWh/an/m2
Production d’eau chaude seule pour 4m2 de panneau installé : 4×600 = 2400kWh/an
70 à 80% de la consommation d’une famille de 4 personnes en ECS
Appoint nécessaire : 20 à 25% avec un CESI
Chauffage + eau chaude pour 11m2 de panneau installé : 11×600 = 6600kWh/an
70% des 9000kWh nécessaires en énergie thermique
Appoint moyen nécessaire 30 à 35%
Appoint nécessaire moyen : 25% ECS + 40% chauffage (source ADEME).Beaucoup de sources énergétiques d’appoint sont utilisables: elles définissent le temps de retour sur investissement d’une installation….
3.5.3 Rentabilité d’une installation solaire : Exemple Toulousain(Préconisation de l’ADEME/SOLAGRO pour un logement type: CESI et SSC)
La rentabilité d’une installation est liée à plusieurs paramètres :
Coût de l’installation, type de financement et aides existantes
Quantité d’énergie substituée(liée à la consommation du foyer ?)
Quantité d’énergie d’appoint nécessaire en fonction de l’efficacité énergétique du système de chauffage et de l’isolation(peut être à renvoyer )
Coût de l’énergie d’appoint (très variable et à la hausse….)
Ajout de capteurs photovoltaïques(PV) : Pour couvrir les besoins en énergie électrique seule, il faudrait placer 27m2 de capteurs photovoltaiques pour produire 4500kWh/an.(rendement des panneaux PV : 14% Kp = 80% soit une production de : 27×0.14×1500×0.8 = 4536kWh/an)
