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Mise en forme et enseigné par Moncef JRAIDI

SOLAIRE THERMIQUE Cours - Partie 1

Mis en forme et enseigné par : Moncef JRAIDI

Cours réalisé par : Thomas Letz - INES Education - Savoie Technolac - BP258 F73375 Le Bourget du Lac -Novembre 2007 http://www.ines-solaire.com/solth/page7.html

Par Thomas Letz - INES Education - Savoie Technolac - BP258 - F73375 Le Bourget du Lac -Novembre 2007

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Sommaire 1. Le gisement solaire, les données climatiques..................................................................................4 1.1 Le soleil ...................................................................................................................................4 1.2 Le rayonnement solaire ............................................................................................................4 1.2.1. Direct, diffus et réfléchi ....................................................................................................5 1.2.2. Mesure du rayonnement solaire .......................................................................................6 1.2.3. Données disponibles..........................................................................................................7 1.3. Repérage du soleil ...................................................................................................................9 1.3.1. La déclinaison ...................................................................................................................9 1.3.2. La hauteur et l'azimut ...................................................................................................... 11 1.4. Les masques ......................................................................................................................... 11 1.5. Calcul de l'irradiation hémisphérique.................................................................................... 12 1.6. Les autres données climatiques ............................................................................................ 13 1.6.1. La température d'eau froide ........................................................................................... 13 1.6.2. La température extérieure ............................................................................................... 14 1.6.3. Les degrés-jours............................................................................................................... 14 1.6.4. La température de base ................................................................................................... 14 1.6.5. La neige et le vent et règles ............................................................................................. 14 1.6.6. Les sources de données météorologiques ........................................................................ 15 2. Les différents types de capteurs solaires ...................................................................................... 15 2.1. Les capteurs sans vitrage ....................................................................................................... 15 2.1.1. Les capteurs "moquette" ................................................................................................ 15 2.1.2. Les capteurs à air pour le séchage ................................................................................... 16 2.1.3. Les capteurs sans vitrage à absorbeur métallique ........................................................... 16 2.2. Les capteurs plans vitrés ........................................................................................................ 17 2.3. Les capteurs à tubes sous vide ............................................................................................... 18 2.3.1. Les capteurs à circulation directe .................................................................................... 18 2.3.2. Les capteurs à caloduc .................................................................................................... 18 2.3.3. Le capteur à tube sous vide à effet "Thermos" ................................................................. 19 2.3.4. Les capteurs CPC ............................................................................................................. 19 2.4. La concentration .................................................................................................................... 19 2.4.1. Les capteurs à concentration cylindro-paraboliques ........................................................ 19 2.4.2. Les capteurs à concentration type "dishes"...................................................................... 20 2.4.3. Les centrales à tour ......................................................................................................... 21 2.5. Capteurs divers ...................................................................................................................... 21 Par Thomas Letz - INES Education - Savoie Technolac - BP258 - F73375 Le Bourget du Lac -Novembre 2007

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Mise en forme et enseigné par Moncef JRAIDI 2.5.1. Les capteurs-stockeurs .................................................................................................... 21 2.5.2. Les centrales à effet de cheminée .................................................................................... 22 3. Les capteurs solaires plans ............................................................................................................ 23 3.1. Constitution du capteur plan vitré .......................................................................................... 23 3.2. Principe de fonctionnement ................................................................................................... 23 3.3. Propriétés optiques des matériaux ......................................................................................... 24 3.4. L'effet de serre ....................................................................................................................... 24 3.5. Bilan thermique d'un capteur ................................................................................................. 25 3.6. Courbe de rendement ........................................................................................................... 26 3.7. Seuil de démarrage ................................................................................................................ 27 3.8. Température de stagnation .................................................................................................... 28 3.9. Choix de l'orientation et de l'inclinaison ................................................................................. 29 3.10. Les composants .................................................................................................................... 30 3.10.1. Le vitrage ....................................................................................................................... 30 3.10.2. Le revêtement sélectif ................................................................................................... 30 3.10.3. L'absorbeur ................................................................................................................... 31 3.10.4. L'isolation ...................................................................................................................... 32 3.11. Normes et avis techniques ................................................................................................... 32 3.12. Les fabricants ....................................................................................................................... 33 3.13. Synthèse .............................................................................................................................. 33

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1. Le gisement solaire, les données climatiques On donne ici les notions essentielles permettant une bonne compréhension de la suite du cours.

1.1 Le soleil Le soleil est une étoile de relativement petite taille (1 400 000 km de diamètre, soit un volume tout de même 1 300 000 plus important que celui de la Terre !) situé à 150 millions de km de la Terre, soit 8 minutes-lumière. C'est un énorme réacteur thermo-nucléaire, où 576 millions de tonnes d''hydrogène fusionnent chaque seconde en hélium, selon la réaction :

Le défaut de masse lié à la réaction nucléaire est d'environ 4 millions de tonnes à la seconde, converties en énergie selon la célèbre équation d'Einstein : E = m . C² Cette énergie envoyée dans toutes les directions est à la fois énorme (environ 8000 à 10 000 fois les besoins terrestres), mais malheureusement assez diluée, puisque la puissance maximale reçue à l'extérieur de l'atmosphère sur une surface d'un mètre carré perpendiculaire à la direction du rayonnement est au maximum d'environ 1350 W, appelée constante solaire (cette valeur est légèrement supérieure en hiver car la distance Terre-Soleil est minimale à ce moment-là) Pour récupérer une quantité d'énergie importante, il faut donc nécessairement augmenter la surface qui intercepte le flux solaire. Concentrer le rayonnement solaire n'augmente pas la puissance ou l'énergie récupérées, mais seulement le niveau de température pouvant être atteint. A l'échelle humaine, le soleil est bien une source d'énergie renouvelable, puisque son espérance de vie est d'environ 5 milliards d'années, ce qui laisse le temps de voir venir….

1.2 Le rayonnement solaire L’énergie solaire qui arrive sur terre est disponible sous forme de rayonnement électromagnétique émis depuis le soleil. La puissance transmise par ce rayonnement varie avec la longueur d'onde du rayonnement. La plus grosse quantité d'énergie est apportée par les longueurs d'onde visibles (lumière blanche qui est la superposition de toutes les couleurs). Certaines longueurs d'onde sont absorbées partiellement ou totalement par les particules de l'atmosphère (les molécules d'ozone absorbent une partie des ultras violets).

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Il en résulte que la puissance disponible sur un mètre carré normal au rayonnement est de l'ordre de 1000 W par temps ensoleillé alors qu'elle est de l'ordre de 1350 W hors atmosphère. La puissance incidente par une unité de surface sur un plan donné est appelée irradiance. Elle est donnée en W/m². Par intégration des irradiances sur un intervalle de temps donné, on accède aux irradiations correspondantes, usuellement données en J/m² ou en kWh/m². 1.2.1. Direct, diffus et réfléchi

Pour pouvoir dimensionner une installation solaire, il est nécessaire de connaître la quantité d'énergie disponible. Dans un plan donné, l'irradiation incidente, appelée irradiation globale, est la somme de trois composantes (ou deux si le plan est horizontal) : 

 

l'irradiation directe (kWh/m²/j), qui provient directement du soleil. Cette composante est nulle lorsque le soleil est caché par des nuages ou par un obstacle (bâtiment, masque lointain) l'irradiation diffuse (kWh/m²/j) qui correspond au rayonnement reçu de la voûte céleste, hormis le rayonnement direct. l'irradiation réfléchie (kWh/m²/j) qui correspond au rayonnement renvoyé par le sol et l'environnement. Cette composante est nulle sur un plan horizontal.

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L'irradiation hémisphérique (kWh/m²/j) est l'irradiation globale reçue sur une surface horizontale. Elle se mesure avec un solarimètre ou pyranomètre. L'irradiation globale verticale (kWh/m²/j) peut être utilisée pour le calcul des apports passifs sur des parois verticales. 1.2.2. Mesure du rayonnement solaire Différents appareils permettent de mesurer les puissances directes, diffuses, réfléchies ou globales, appelées irradiances (W/m²). L'héliographe de Campbell-Stokes, comportant une boule de verre et fonctionnant selon le principe de la loupe, permet de mesurer la durée d'insolation, c'est-à-dire la durée pendant laquelle le rayonnement solaire direct a une puissance suffisante (en pratique plus de 120 W/m²) pour brûler ou décolorer une bande de papier changée chaque jour. La mesure de la longueur des parties brûlées permet de calculer la durée d'insolation. Pour en déduire l'irradiation, il faut utiliser des corrélations. Ces instruments "statiques" sont remplacés par des instruments "dynamiques" où une fibre optique émet régulièrement un signal qui engendre une impulsion dès que l'éclairement reçu par le capteur dépasse 120 watts par mètre carré. Les pyranomètres délivrent une tension directement proportionnelle à l'irradiation. Cette tension provient d'une thermopile dont la partie supérieure s'échauffe par exposition à l'irradiation solaire alors que la partie inférieure protégée de cette irradiation sert de référence. Ce sont des appareils coûteux : il y a donc peu de stations météorologiques qui en utilisent. Le pyranomètre à rayonnement diffus est identique au précédent, mais comporte une "bande métallique" qui masque le soleil et supprime la composante directe du rayonnement incident. Le pyrhéliomètre mesure la composante directe du rayonnement solaire. Il a besoin d'un "suiveur solaire" et d'un collimateur pour maintenir en permanence le disque solaire focalisé et masquer le reste de la voûte céleste. Le capteur est une pile thermoélectrique.

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1.2.3. Données disponibles 1.2.3.1. La durée d'insolation La carte d'insolation dans un pays est obtenue en mesurant la durée d'insolation dans plusieurs stations météorologiques par des héliographes. A titre d’exemple, la carte d'insolation de la France nous montre que le soleil se montre plus volontiers dans le sud du pays que dans le nord. Le nombre d'heures d'ensoleillement annuel varie de 1700 h à 2800 h sur l'ensemble du pays. Cette carte définit des grandes zones et ne prend pas en compte les microclimats locaux (zone de brouillard régulier, vent côtier, ensoleillement d'altitude en hiver,...).

1.2.3.2. La fraction d'insolation La fraction d'insolation, égale au rapport de la durée réelle d'insolation sur la durée théorique du jour. Elle est souvent notée sigma. Des corrélations simplifiées permettent de déterminer l'irradiation hémisphérique sur un plan déterminé par son orientation et son inclinaison peut être estimée à partir de la fraction d'insolation et de l'insolation maximale. Cette dernière valeur ne dépend que du plan choisi, du mois et de la latitude du lieu considéré. 1.2.3.3. L'irradiance La puissance maximale atteinte en hiver est équivalente à celle qu'on peut obtenir en été. Dans l'exemple, présenté, un peu plus de 800 W/m² au midi solaire. Aux équinoxes, cette puissance est plus élevée sur un plan incliné d'un angle égal à la latitude du lieu, car l'angle d'incidence au midi solaire est nul et le rayonnement solaire arrive perpendiculairement sur le plan. Ce qui change entre l'été et l'hiver n'est donc pars la puissance maximale, mais la durée du jour.

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1.2.3.4. L'irradiation C'est l'intégrale de l'irradiance arrivant sur un plan caractérisé par son orientation et son inclinaison. La carte d'irradiation de la France donne la valeur moyenne annuelle de l'irradiation hémisphérique journalière sur un plan orienté au Sud et incliné d'un angle égal à la latitude du lieu. On retrouve une valeur supérieure d'environ 70 % dans les zones les plus favorisées par rapport aux zones les moins favorisées.

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L'irradiation globale est mesurée dans quelques stations de la Météorologie Nationale La carte ci-dessus montre les valeurs annuelles moyennes de l'irradiation globale, en kWh/m². L'énergie solaire disponible diffère d'une zone géographique à l'autre, mais aussi au fil de l'année. Dans les zones désertiques proches de l'équateur, les valeurs d'irradiation annuelle peuvent atteindre les 2 200 kWh/(m².an). Ceci représente environ le double de la moyenne annuelle atteinte au mètre carré en Europe centrale.

Carte mondiale de l'irradiation.

1.3. Repérage du soleil 1.3.1. La déclinaison L'axe de rotation de la terre est incliné par rapport au plan de l'écliptique (plan dans lequel la Terre se déplace autour du soleil) La déclinaison est l'angle entre le plan de l'équateur et la direction terre - soleil. Elle varie entre 23 ° 27 ' au solstice d'été à - 23 ° 27 ' au solstice d'hiver, de manière sinusoïdale.

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L'inclinaison de l'axe de la terre permet d'expliquer la trajectoire apparente du soleil dans le ciel.

En astronomie, le zénith (de l'arabe zana'a, monter) est un des points d'intersection de la verticale d'un lieu donné et de la sphère céleste. Le point d'intersection qui se trouve audessus de la Terre est le zénith tandis que celui qui se trouve au dessus des antipodes est le nadir. Autrement dit le zénith est le point sur la verticale au-dessus de notre tête tandis que le nadir est le point sur la verticale situé sous nos pieds. En coordonnées horizontales, l'axe zénith-nadir est perpendiculaire au plan de l'horizon céleste, tandis que le zénith et le nadir sont les pôles du grand cercle de l'horizon. Le méridien céleste du lieu passe par ces pôles que sont le zénith et le nadir. Le point le plus élevé de la trajectoire d'un astre dans le ciel (par exemple le Soleil) s'appelle le point de culmination. Le Soleil ne passe au zénith qu'entre les deux tropiques.

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Certains télescopes sont conçus avec des miroirs liquides (au mercure par ex.) en rotation. Du fait qu'ils doivent rester en permanence à la verticale, ce genre de télescope a un champ d'observation restreint au zénith.

Le nadir (de l'arabe ‫نظير‬, nathir) est la direction directement en dessous d'un endroit particulier, c'est donc l'opposé du zénith. 1.3.2. La hauteur et l'azimut Pour repérer la position du soleil dans le ciel, on utilise deux angles :  la hauteur h : angle entre la direction du soleil et sa projection sur le plan horizontal  l'azimut a : angle entre cette projection et la direction du Sud : a est compté positivement vers l'Ouest et négativement vers l'Est

1.4. Les masques Lorsque l'on veut utiliser l'énergie solaire à un endroit, il faut non seulement connaître l'ensoleillement du site, mais aussi déterminer quelle quantité d'énergie vont amputer les obstacles entre le soleil et ce site. Il faut donc relever les masques à l'endroit où l'on désire implanter l'installation solaire. Pour cela, il faut se munir d'une boussole et d'un clinomètre et relever la hauteur angulaire et l'azimut de tous les obstacles potentiels.

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Ces données, une fois reportées sur un graphe représentant la projection de la course fictive du soleil à l'endroit du site, permettront de déterminer les heures de lever et de coucher du soleil en fonction de la saison. Logiciel de tracé de masque : http://sourceforge.net/project/platformdownload.php?group_id=186836

1.5. Calcul de l'irradiation hémisphérique Il est possible de calculer explicitement l'irradiation hémisphérique incidente sur un plan incliné d'un angle et orienté avec un azimut, en calculant ses trois composantes :  le direct, calculé à partir du direct sur le plan horizontal à l'aide d'un facteur de transposition géométrique Rb  le diffus, qui est la proportion de diffus total "vue" par le plan en fonction de son inclinaison  le réfléchi, qui est la proportion de global horizontal total "vue" par le plan en fonction de son inclinaison et du coefficient de réflexion du sol (albedo).

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Le facteur de transposition Rb est introduit pour tenir compte de la variation pendant la journée de l'angle d'incidence du rayonnement direct sur le plan fixe étudié. Variabilité de l'irradiation Entre une journée sans nuages et une journée avec ciel couvert, la quantité d'énergie incidente sur un plan donné peut varier d'un facteur 4 à 5. Dans le deuxième cas, cette énergie arrive uniquement sous forme diffuse, et la puissance atteinte ne permet en général pas à un capteur thermique d'atteindre un niveau de température suffisant pour délivrer une puissance utile.

1.6. Les autres données climatiques Les besoins thermiques d'une installation solaire dépendent de la température d'eau froide (besoins en eau chaude sanitaire) et de la température extérieure (besoins en chauffage). 1.6.1. La température d'eau froide La température d'eau froide en un lieu donné varie pendant l'année de manière quasiment sinusoïdale, entre un minimum de 5 °C à 12 °C selon la localisation géographique jusqu'à un maximum de 13 °C à 20 °C en été. La température d'eau froide est plus basse dans le nord de la France que dans le sud : pour un volume d'eau consommée donné, les besoins thermiques sont donc plus importants au nord qu'au sud, ce qui compense d'une certaine manière une irradiation plus faible.

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1.6.2. La température extérieure De manière analogue, les températures extérieures sont plus basses dans le nord de la France que dans le sud, ce qui conduit à des besoins thermiques pour le chauffage plus importants au nord qu'au sud, ce qui compense d'une certaine manière une irradiation plus faible. 1.6.3. Les degrés-jours Pour calculer les besoins de chauffage, on utilise les degrés-jours, qui sont obtenus en sommant pendant toute la durée de la période considérée (mois ou saison de chauffe) l'écart entre la température intérieure de référence et la température extérieure moyenne quotidienne. Si la référence est prise égale à 18 °C, on obtient les degrés-jours unifiés (DJU). 1.6.4. La température de base C'est la température moyenne quotidienne minimale constatée 5 fois au moins au cours d'une année. La température de base est utilisée pour dimensionner les appareils de chauffage (émetteurs : convecteurs, radiateurs, planchers chauffants ; générateurs : chaudières). La puissance de ces appareils doit être suffisante pour maintenir la température intérieure à la valeur de consigne souhaitée lorsque la température extérieure est égale à la température de base.

1.6.5. La neige et le vent et règles Une installation solaire thermique doit être conçue en tenant compte de paramètres météorologiques supplémentaires :  Le vent doit être pris en compte pour le calcul des ancrages ou du lest des capteurs placés sur les toitures ou sur des terrasses Par Thomas Letz - INES Education - Savoie Technolac - BP258 - F73375 Le Bourget du Lac -Novembre 2007

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 La neige intervient par son poids : il faut intégrer ce facteur pour éviter des désordres. Les règles neige et vent NV 65 fixent les dispositifs constructifs à prendre en compte pour tenir compte de ces contraintes. En général, la neige ne reste pas sur des capteurs dont l'inclinaison dépasse 35 °. Il y a lieu de prévoir des dispositifs adéquats pour que la neige ne s'accumule pas en bas des capteurs, au risque d'en recouvrir une partie et de réduire la quantité d'énergie collectée. 1.6.6. Les sources de données météorologiques On peut obtenir auprès de la Météorologie Nationale des données mesurées payantes :  Durées d'ensoleillement  Températures extérieures  Degrés-jours, etc… Autres sources de données gratuites :  NASA : http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen/  Joint Research Center : http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps/pvreg.php?lang=fr&map=europe

2. Les différents types de capteurs solaires Il existe toute une gamme de capteurs solaires qui permettent de répondre à différents besoins. Il faut choisir le type de capteurs qui correspond le mieux au niveau de température auquel on désire "travailler". Bien entendu, plus le niveau de température est élevé, plus les technologies mises en œuvre sont évoluées et plus les coûts de production sont élevés. On n'utilisera par exemple pas un capteur sous vide, permettant d'atteindre de très hautes températures, pour réchauffer une piscine.

2.1. Les capteurs sans vitrage 2.1.1. Les capteurs "moquette" Ce capteur est constitué d'un caoutchouc souple très résistant : l'Ethylène Propylène Diène Monomère (EPDM). Du fait de l'absence de vitrage, et donc des pertes de transmission afférentes, il possède un très bon rendement pour les températures proches de la température de l'air ambiant. Il ne permet pas de produire d'eau chaude sanitaire.

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Ses principaux avantages sont sa facilité de mise en œuvre et son coût d'environ 100 €/m². Le dimensionnement usuel se situe entre 1/3 et 2/3 de la surface du bassin. Il peut être utilisé aussi bien pour des piscines privées que pour des piscines publiques.

2.1.2. Les capteurs à air pour le séchage La toiture d'une grange peut constituer un excellent capteur pour réchauffer l'air nécessaire au séchage du foin. Cet air est collecté dans une lame d'air aménagée entre la toiture et un isolant rigide placée en-dessous, puis soufflé grâce à un ventilateur grâce à un réseau de gaine jusqu’au dessous du fourrage à sécher placé sur un caillebotis.

2.1.3. Les capteurs sans vitrage à absorbeur métallique Il existe des capteurs non vitrés sélectifs utilisant un absorbeur métallique. Ces capteurs permettent d'atteindre des températures un peu plus élevées que les capteurs "moquette", ou inversement de fonctionner également en dehors de la période estivale.

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Le capteur plan non vitré en acier à revêtement sélectif permet d'avoir de très bonnes performances quand les besoins sont en phase avec la ressource. Ils sont peu sensibles à l'angle d'incidence du rayonnement. Il peut être utilisé pour du préchauffage d'eau chaude. Il faut alors installer environ une surface de capteurs deux fois plus importantes qu'avec des capteurs plans vitrés sélectifs pour obtenir des performances équivalentes. Le principal constructeur est suisse : Energie solaire SA.

2.2. Les capteurs plans vitrés Le capteur plan est le capteur le plus répandu et le mieux adapté aux besoins de chauffage et d'eau chaude sanitaire dans les bâtiments.

Les capteurs vitrés restent les plus performants bien que les non vitrés soient assez utilisés dans de nombreux pays européens (essentiellement pour du pré-chauffage d'eau chaude sur des installations collectives). Ce type de capteur se présente sous forme de caissons de différentes dimensions ou sous forme d'éléments séparés à intégrer directement dans l'architecture des bâtiments. Les surfaces mises en œuvre vont de quelques mètres carrés pour les chauffe-eau solaires individuels à plusieurs centaines de mètres carrés pour les installations collectives. Par Thomas Letz - INES Education - Savoie Technolac - BP258 - F73375 Le Bourget du Lac -Novembre 2007

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2.3. Les capteurs à tubes sous vide Les capteurs sous vide permettent d'atteindre des hautes températures (150°C) avec des rendements corrects. Le vide créé à l'intérieur des tubes permet de réduire de manière importante les déperditions lors de la montée en température. Cette technique a été développée il y a une trentaine d'années afin d'améliorer les performances d'un capteur plan. L'air à l'intérieur est évacué pour faire le vide et le tube est fermé hermétiquement. Le principe est simple, mais la fabrication est difficile à cause des liaisons verre/métal nécessaires. Ainsi ils sont utilisés pour la climatisation par absorption où des températures de plus de 80°C sont nécessaires, ou pour la production d'eau chaude haute température. Leur coût reste important. Leur utilisation pour le chauffage de l'eau chaude sanitaire est tout à fait possible, cependant les performances d'un chauffe-eau solaire équipé de capteurs sous vide ne sont pas tellement meilleures qu'avec des capteurs plans vitrés, dans le cas où l'on produit de l'eau à 50°C. Le choix du capteur sous vide est donc intéressant pour des plages de températures où les capteurs plans vitrés ont des rendements qui chutent. Le coût de ces capteurs est souvent supérieur à 700 €/m². 2.3.1. Les capteurs à circulation directe

Dans ce système, le fluide caloporteur circule dans le tube sous vide, grâce à un tube en U sur lequel est fixé une ailette recouverte d'un revêtement sélectif.

2.3.2. Les capteurs à caloduc (http://www.outilssolaires.com/premier/prin-sousvide1.htm) Dans ces systèmes, la chaleur est transférée depuis l'ailette jusqu'à un collecteur situé en partie haute du capteur grâce à un caloduc. C'est un échangeur qui utilise les mécanismes de transfert de chaleur par évaporation et condensation d'un fluide placé dans un tube fermé. Le fluide s'évapore en captant la chaleur fournie par l'ailette, Par Thomas Letz - INES Education - Savoie Technolac - BP258 - F73375 Le Bourget du Lac -Novembre 2007

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s'élève jusqu'en partie haute, cède sa chaleur par condensation au fluide caloporteur qui circule en partie haute, et retourne par gravité en bas du tube. Pour permettre ce retour, les tubes doivent être installés avec une inclinaison. Ce type de montage permet le remplacement d'un tube en cas de bris, sans devoir purger toute l'installation. 2.3.3. Le capteur à tube sous vide à effet "Thermos" Ici, l'absorbeur n'est pas dans le tube, mais glissé dans l'espace interne d'un tube double enveloppe en verre. Ainsi, la soudure verre-métal, toujours délicate, est évitée. Le tube intérieur comporte le revêtement sélectif. Ce type de capteur est majoritairement fabriqué et installé en Chine. (http://www.outilssolaires.com/premier/prin-sousvide2.htm)

2.3.4. Les capteurs CPC : (http://www.outilssolaires.com/premier/prin-sousvide2.htm) Les capteurs sous vide à concentration combinent l'effet de concentration des miroirs paraboliques (CPC = compound parabolic concentrator) avec des capteurs sous vide permettant d'obtenir des hautes températures avec des surfaces de captage réduites.

2.4. La concentration 2.4.1. Les capteurs à concentration cylindro-paraboliques Les capteurs à concentration fonctionnent avec un système de poursuite du soleil. Selon que la concentration se fait sur un point (suivi du soleil selon deux axes) ou sur une ligne (suivi du soleil selon un axe), les températures atteintes sont plus ou moins élevées. Les capteurs à concentration cylindro-paraboliques concentrent la lumière sur un absorbeur linéaire, avec un système de poursuite du soleil selon une seule direction. De ce fait, le facteur de concentration n'est pas très élevé, ainsi que les températures atteintes.

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Ces systèmes permettent d'atteindre des températures de 200 à 400 °C, pour des puissances de plusieurs centaines de kW. Les premières centrales industrielles importantes de ce type ont été développées aux Etats -Unis par la compagnie Luz Solar. Deux variantes existent, selon la partie mobile :

2.4.2. Les capteurs à concentration type "dishes" Les capteurs à concentration du type 'dishes" concentrent la lumière sur un absorbeur ponctuel, avec un système de poursuite du soleil selon deux directions.

De ce fait, le facteur de concentration est plus important, ainsi que les températures atteintes. Ces systèmes permettent d'atteindre des températures de 400 à 800 °C, pour des puissances de plusieurs dizaines de kW.

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2.4.3. Les centrales à tour Les installations de ce type concentrent la lumière sur un absorbeur ponctuel, à l'aide de miroirs (appelé "héliostats") qui suivent le soleil selon deux directions, sur une chaudière située au sommet d'une tour. De ce fait, le facteur de concentration est plus important, ainsi que les températures atteintes. Compte tenu du grand nombre de miroirs, les puissances peuvent atteindre plusieurs MW. Une telle centrale (Thémis) a été expérimentée dans les années 80, et devrait reprendre du service prochainement. Ces systèmes permettent d'atteindre des températures de 400 à 800 °C, pour des puissances de plusieurs MW.

2.5. Capteurs divers 2.5.1. Les capteurs-stockeurs Les capteurs stockeurs, comme leur nom l'indique, sont des ensembles qui cumulent les fonctions de captage et de stockage de l'énergie solaire. Le mur "Trombe" est une application connue de ce principe.

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La fonction de stockage permet une autonomie de l'ordre de la journée et se fait dans des matériaux ayant une forte capacité thermique. Ces capteurs, souvent artisanaux, sont relativement peu répandus et servent principalement pour la production d'eau chaude sanitaire ou le chauffage des maisons (mur Trombe). On trouve également certains capteurs qui fonctionnent comme un plancher chauffant "à l'envers" : un dalle en béton capte et accumule l'énergie solaire et la restitue à un fluide caloporteur circulant dans des tubes noyés dans le béton. 2.5.2. Les centrales à effet de cheminée Ces installations, encore au stade du prototype, fonctionnent en utilisant le tirage thermique ou "effet de cheminée", crée par la différence de densité entre l'air réchauffé par une couverture transparente tenue à une certaine hauteur du sol et l'air plus froid au sommet de la tour.

La vitesse du mouvement de l'air est fonction de la différence de température entre la partie basse et la partie haute de la cheminée et de sa hauteur. L'effet de cheminée peut fonctionner 24 heures sur 24, pendant la journée à cause de la chaleur créée par le rayonnement solaire dans la serre, et pendant la nuit avec la chaleur emmagasinée dans le sol. L'électricité est produite par des turbines situées à l'entrée de la cheminée. Compte tenu de la taille des installations prévues, les puissances atteindront plusieurs MW, avec des températures de quelques dizaines de degrés.

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3. Les capteurs solaires plans 3.1. Constitution du capteur plan vitré Le capteur plan vitré reste le capteur le plus répandu. Il se compose :  d'un élément absorbeur, recouvert la plupart du temps d'un revêtement sélectif, en contact avec des tubes métalliques (souvent en cuivre) véhiculant le fluide caloporteur qui transporte l'énergie jusqu'à l'extérieur du capteur.  d'un vitrage pour favoriser l'effet de serre et réduire les pertes par convection. " d'un isolant afin de limiter les pertes vers l'extérieur.  pour ce qui est de la structure, ces éléments peuvent être enfermés dans un caisson ou bien intégrés en toiture. Un joint d'étanchéité en matériau élastique a pour principale fonction de maintenir l'étanchéité du capteur en empêchant l'eau de pénétrer quand il pleut.

3.2. Principe de fonctionnement Une partie de l'irradiation solaire qui arrive sur le vitrage traverse celui-ci pour atteindre l'absorbeur. Ce dernier s'échauffe et transmet la chaleur au fluide caloporteur qui circule dans les tubes. Comme tout corps qui s'échauffe, l'absorbeur émet un rayonnement (en grande partie dans les infrarouges) qui est d'une part absorbé par le vitrage, d'autre part réfléchi par le film placé sur l'isolant. L'isolant a pour fonction de limiter les déperditions thermiques avec l'extérieur. En effet, le maximum d'énergie doit être transmis au fluide, il faut donc limiter les pertes avec l'environnement proche.

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3.3. Propriétés optiques des matériaux Au contact d'un matériau, le rayonnement incident se décompose en trois parties : une partie est réfléchie, une partie est absorbée et le reste est transmis. Tous les matériaux n'ont pas les mêmes comportements vis à vis du rayonnement qu'ils reçoivent. Certains vont être transparents à des longueurs d'ondes particulières et absorber toutes les autres (le verre laisse passer la lumière visible et absorbe les UV et les IR). Suivant l'angle d'incidence sur le matériau, le rayonnement sera plus ou moins réfléchi. La quantité d'énergie absorbée par rayonnement dépend donc de l'angle d'incidence et du coefficient d'absorption a du matériau pour certaines longueurs d'ondes. Les propriétés optiques des matériaux sont caractérisées à l'aide de 3 coefficients :

De plus, tout corps qui s'échauffe émet dans son environnement un rayonnement de longueur d'onde inversement proportionnelle à sa température. La loi de Wien donne la longueur d'onde du maximum d'émission en fonction de la température du corps : Ce rayonnement est plus ou moins intense suivant le coefficient d'émissivité e du corps. Plus ce coefficient est faible (proche de 0), moins le corps émet. Les valeurs de l'émissivité vont de 0 à 1 (corps noir).

3.4. L'effet de serre La plus grande partie de l'énergie émise par le soleil l'est sous forme de rayonnement dont les longueurs d'onde correspondent à la lumière visible. Le verre ou les plastiques utilisés sur les capteurs plans vitrés sont transparents dans cette tranche de longueurs d'onde. Ils laissent donc passer une grande partie de l'énergie. Par contre ils sont opaques aux ultra-violets (on ne bronze pas derrière une vitre) et retiennent une grande partie des infrarouges que l'absorbeur émet lors de son échauffement. La chaleur dégagée par ce dernier reste emprisonnée dans l'enceinte du capteur. C'est le phénomène d'effet de serre.

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En définitive, un capteur solaire thermique doit accepter le maximum de rayonnement solaire (transmittance élevée), en absorbant la majeure partie (absorbance élevée), en émettant et en laissant sortir le moins possible (transmittance réduite dans les ondes longues).

3.5. Bilan thermique d'un capteur La puissance utile est celle qui permet de réchauffer le débit de fluide caloporteur de la température d'entrée Tentrée jusqu'à la température de sortie Tsortie :

La puissance utile Eu que l'on peut 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).  Text : la température extérieure (en °C) et des paramètres définissant le capteur : 

: 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 par le coefficient d'absorption de l'absorbeur .  K : le coefficient de déperditions thermiques (W/°C)

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Le bilan thermique en régime stationnaire du capteur exprime que la puissance absorbée E se répartit entre la puissance utile E u et les pertes thermiques :

Eu est donc égale à la partie de la puissance incidente traversant le vitrage et absorbée par l'absorbeur, diminuée des déperditions thermiques (proportionnelles à l'écart de température entre le capteur et l'ambiance) :

Le rendement du capteur , défini comme étant le rapport entre la puissance utile Eu et la puissance incidente E, s'obtient donc avec l'expression suivante :

Simulation dynamique du rendement d'un capteur thermique :

transmission vitrage

t

absorption absorbeur

a

coefficient de pertes

K

température moyenne température extérieure irradiation (W/m²)

Tm Text E

0,95

facteur optique b = t.a

0,9 4 20 -10 500

0,855

x W/K.m²

pertes optiques

°C

pertes thermiques

°C

rendement

0,06 m².K/W

1-b

14,5 % 24,0 %

h

61,5 %

W/m²

3.6. Courbe de rendement Une nouvelle norme européenne (EN 12975-2) introduit un deuxième coefficient de pertes thermiques a2, afin de mieux prendre en compte les pertes non linéaires (rayonnement): : le facteur optique du capteur, a1 et a2 : coefficients de déperditions thermiques (W/m².K et W/m².K²) L'expression du rendement devient alors :

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Quel capteur choisir ? Les courbes de rendement des capteurs montrent que pour un ensoleillement constant, les performances des capteurs baissent lorsque l'on demande au capteur de "travailler" à une température éloignée de la température extérieure. Ceci est dû tout simplement aux déperditions thermiques qui augmentent avec la température (de manière linéaire pour les phénomènes de convection et conduction et à la puissance 4 pour les pertes par rayonnement). Il faut donc, pour tirer meilleur parti des capteurs, utiliser une technologie qui correspond le mieux aux niveaux de températures auxquels on veut travailler. Un capteur sous vide aura un rendement 30% supérieur à un capteur plan vitré pour produire de l'eau à 90 °C. Par contre il sera moins performant qu'un capteur moquette pour réchauffer l'eau d'une piscine de deux degrés par rapport à la température ambiante.

3.7. Seuil de démarrage Contrairement à un capteur photovoltaïque dont la production est proportionnelle à l'irradiation incidente, un capteur thermique ne fournit une énergie utilisable qu'au-delà d'un certain seuil d'irradiance, fonction des caractéristiques du capteur et des températures de fonctionnement. Ce seuil est la puissance minimale nécessaire pour que le rendement du capteur devienne positif, c'est-à-dire qu'il puisse fournir de l'énergie à un niveau de température supérieure à celui de la charge qu'il alimente. L'expression du seuil d'irradiance dépend de la formule du rendement utilisé.

On voit que le niveau d'irradiation qui permet le fonctionnement du capteur est d'autant plus bas que le facteur optique est élevé et que le ou les coefficients de pertes Par Thomas Letz - INES Education - Savoie Technolac - BP258 - F73375 Le Bourget du Lac -Novembre 2007

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thermiques sont faibles. Un capteur sous-vide va donc "démarrer" plus rapidement qu'un capteur plan.

Simulation du seuil de démarrage : absorption absorbeur

h0

0,75

coefficient de pertes

a1

1,25

W/K.m²

coefficient de pertes température moyenne température extérieure irradiation seuil

a2 Tm Text E

0,0094

W/m².K² °C °C W/m²

150 15 0

3.8. Température de stagnation Un capteur solaire ne monte pas indéfiniment en température. Plus sa température de fonctionnement augmente, plus le rendement diminue jusqu'à s'annuler. La température de stagnation est la température atteinte par le capteur en l'absence de circulation du fluide, donc à rendement nul. Elle est d'autant plus élevée que l'irradiation est importante, la température extérieure élevée et le capteur performant. L'expression de cette température maximale est obtenue en résolvant l'équation du premier ou du deuxième degré en T donnée par = 0.

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Simulation de la température de stagnation : absorption absorbeur coefficient de pertes coefficient de pertes

h0 a1 a2

0,75

irradiation température extérieure température de stagnation

E Text Tm

1000

1,25 0,0094

25 0

W/K.m² W/m².K² W/m².K² °C °C

3.9. Choix de l'orientation et de l'inclinaison

Le choix de l'orientation et de l'inclinaison des capteurs peut être guidé par des préférences architecturales, cependant d'une manière optimale, les capteurs sont orientés plein sud (dans l'hémisphère nord) avec une inclinaison proche de 45° sous nos latitudes.

Il y a tout de même un degré de liberté assez large quant à l'implantation sans que les performances ne s'en fassent trop ressentir. Mais la tolérance dépend de l'utilisation du capteur (ECS seule ou chauffage + ECS) L'inclinaison peut varier entre 30° et 60° selon que l'on veut privilégier le rayonnement d'été (haut sur l'horizon) ou celui d'hiver (bas sur l'horizon). Bien entendu plus les capteurs se rapprochent de la verticale, plus l'orientation aura de l'importance. La présence de masques (montagnes au lever ou au coucher de soleil) peut aussi influencer l'orientation.

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3.10. Les composants 3.10.1. Le vitrage Les capteurs vitrés de bonnes qualités utilisent tous le verre. Les polycarbonates ou autres matériaux de synthèse, même s'ils sont moins chers, n'ont pas des qualités de résistance mécanique et de stabilité dans le temps suffisantes (certains jaunissent dans le temps sous l'action des UV, et peuvent devenir fragiles). Le verre reste donc le matériau de prédilection pour la couverture des capteurs. Il peut cependant subir des transformations afin d'améliorer ses qualités. Le verre trempé a une très bonne résistance aux chocs (chute de grêle). Il est possible d'obtenir des verres à haute transmission énergétique (t = 0,92) en éliminant la plupart des oxydes de fer lui donnant sa couleur verte. Un traitement antireflet diminue la part perdue par réflexion. On peut aussi ajouter de couches d'oxydes métalliques réfléchissantes sur la surface inférieure, afin de créer des verres sélectifs qui retiennent d'autant mieux les infra-rouges (effet de serre).

On utilise aussi des verres polis ou prismés qui réfléchissent moins les rayonnements dont les angles d'incidences sont supérieurs à 45°.

3.10.2. Le revêtement sélectif Pour améliorer le rendement des capteurs, les absorbeurs sont recouverts d'un revêtement sélectif pour l'absorption et l'émission. Ces revêtements sont de couleur noire afin d'absorber le rayonnement solaire au maximum (coefficient d'absorption proche de 1) et leur état de surface est tel qu'ils piègent les rayonnements infrarouges qui sont émis lors de l'échauffement. Le coefficient d'émissivité est alors beaucoup plus faible que pour une peinture noire classique, et le rendement du capteur est nettement meilleur. Généralement ces Par Thomas Letz - INES Education - Savoie Technolac - BP258 - F73375 Le Bourget du Lac -Novembre 2007

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revêtements utilisent des oxydes de nickel ou de chrome, voire de titane. Les principaux traitements sélectifs sur le marché sont : Alanod : Mirotherm ( = 0.95, = 0.05) sur aluminium : Allemagne Alanod (anciennement Interpane) : Sunselect ( = 0.95, = 0.05) sur cuivre : Allemagne ChromeCoat ( = 0.95, = 0.10) sur cuivre : Danemark MTI Krosol : ( = 0.96, = 0.12) sur cuivre : Etats Unis Tinox : Classic ( = 0.95, = 0.05) sur cuivre : Allemagne Sunstrip : ( = 0.96, = 0.07) sur aluminium : Suède Les principaux critères à considérer sont : Performance Durabilité Impact environnemental

3.10.3. L'absorbeur L'absorbeur est l'élément essentiel du capteur solaire, il doit absorber la plus grande partie du rayonnement solaire et transmettre la chaleur produite vers le fluide caloporteur avec le minimum de perte. Il doit être le plus léger possible afin d'éviter l'inertie de mise en régime et construit avec un matériau bon conducteur. A ces deux qualités, il faut ajouter celles d'ordre mécanique et chimique (bonne tenue à la pression, à la dilatation, résistance à la corrosion, fiabilité dans le temps). D'autre part il doit être réalisé économiquement. Le contact entre l'absorbeur et le fluide caloporteur doit être le meilleur possible. Lorsqu'il y a des tubes, ces derniers doivent être soudés (attention aux hautes températures), collés ou sertis, de manière à ce que l'échange de chaleur se fasse le mieux possible. Au vu de ces contraintes, les deux matériaux les plus employés restent le cuivre et l'aluminium.

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3.10.4. L'isolation Les isolants pour face arrière des capteurs les plus souvent utilisés sont les fibres minérales (laine de verre ou laine de roche) ou les mousses de polyuréthane. Il faut que les produits utilisés résistent aux températures de fonctionnement qui dépassent largement les 100°C pour les capteurs modernes, dans certains cas (capteur en stagnation). Les isolants tels que le polystyrène sont donc à bannir (il commence à mollir et à fondre à partir de 80°C).

Dans le cas d'utilisation de laines minérales, il convient de veiller à se qu'elles restent sèches, car l'humidité altère les performances thermiques de ces matériaux.

3.11. Normes et avis techniques La norme 12 975 concerne les capteurs solaires : - NF EN 12975-1 (exigences générales) - NF EN 12975-2 (méthodes d'essais) Les capteurs sont couverts par deux types de certification appuyés sur la norme 12 975 : * Avis technique délivré par le CSTB :  Repose sur les normes européennes pour la plupart des essais (sauf arrachement et vieillissement accéléré)  Intègre l'aspect sécurité et mise en œuvre  Certification CSTBat des produits associés à l'ATEC  Reconnaissance par les assureurs " Solar Keymark (marque européenne)  Certification des produits  Encore peu ou pas de reconnaissance par les assureurs * Solar Keymark (marque européenne) Par Thomas Letz - INES Education - Savoie Technolac - BP258 - F73375 Le Bourget du Lac -Novembre 2007

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 Certification des produits  Encore peu ou pas de reconnaissance par les assureurs

3.12. Les fabricants Actuellement, plus de 40 fabricants ou distributeurs vendent des capteurs solaires thermiques en France :

Liens : Capteurs solaires sous avis technique CSTB : http://www.tecsol.fr/st_fr/default.htm Capteurs solaires testé au SPF Rapperswil : http://www.spf.ch/spf.php?lang=fr&fam=1&tab=1 Données techniques sur capteurs et systèmes : http://www.outilssolaires.com/Fabricants/default.htm

3.13. Synthèse Un capteur est d'autant plus performant : - que l'irradiation est importante ==> orientation et inclinaison adaptés à l'usage - qu'il fonctionne avec un écart faible température capteur / température ambiante ==> usages basse température ==> en chauffage, émetteurs de grande surface : planchers chauffants, murs chauffants, radiateurs basse température

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