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18 octobre 2009 7 18 /10 /octobre /2009 17:53
Suite de la série d'articles sur le solaire thermique. Après le contexte dans la partie 1, aujourd'hui les systèmes individuels. Ces derniers sont destinés à produire de l'eau chaude domestique (éventuellement à participer au chauffage de l'habitation) pour des particuliers ou en habitat collectif, et constitue la plus grande part de l'énergie produite par les systèmes de type solaire thermique. Les centrales solaires constituant la part restante, et elles seront l'objet de l'article suivant.

Le principe à la base d'un collecteur solaire thermique comme celui présenté sur la photo à droite est très simple. Tout le monde sait qu'une plaque métallique sombre laissée au soleil chauffe, parfois de manière assez importante. Elle chauffe parce qu'elle absorbe une partie importante du rayonnement solaire, avec une part réfléchie assez faible. A l'inverse un miroir laissé au soleil ne chauffe pratiquement pas parce qu'il réfléchit la plus grande partie du rayonnement solaire.



Le principe ici va être le même (schéma de gauche) : une surface absorbante est placée de manière à recevoir un maximum de rayonnement solaire. Comme cette surface absorbe le rayonnement, elle chauffe. Un fluide caloporteur (qui permet de transporter la chaleur), le plus souvent de l'eau avec un antigel (pour passer l'hivers sans entretien particulier) circule dans la surface chauffée, et chauffe également.


Ce fluide caloporteur, qui circule grâce à un système de pompage, est ensuite utilisé pour chauffer l'eau d'un ballon d'eau chaude sanitaire, ou éventuellement l'eau d'un système de chauffage central domestique.


Evidemment même si le principe en lui-même est très simple, la mise en oeuvre technologique l'est un peu moins, du moins si l'on souhaite optimiser les performances du système.

Le schéma de principe du collecteur solaire est représenté ci-dessous, avec le cheminement du rayonnement solaire.




Avant de s'intéresser au collecteur lui-même, suivons le trajet des rayons lumineux provenant du soleil (1). Les collecteurs solaires sont des systèmes destinés à être utilisés pendant des années. La surface absorbante doit donc être protégée des dégradations dues à son environnement (pluie, salissures, casse, ...) par un châssis transparent.
Une partie du rayonnement solaire n'atteint donc jamais la plaque absorbante et est directement réfléchie par la vitre de protection (2). seule une partie (3 = 1 - 2) atteint donc la plaque.
Une petite partie est réfléchie par la plaque. Et une autre petite partie est directement ré-émise par la plaque elle-même ! En effet, n'importe quel matériau chauffé va émettre un peu de rayonnement (on peut penser à un morceau de métal chauffé au rouge). Ici la température n'est pas suffisante pour que la plaque soit chauffée au rouge, mais elle émet tout de même un rayonnement, dans l'infrarouge (IR). Globalement, la plaque n'absorbe donc pas tout le rayonnement qui a franchit la vitre, une partie est réfléchie ou réémise (4).
Cette partie réémise ou réfléchie va de nouveau arriver sur la plaque de verre, et être encore séparée en une partie perdue définitivement (5) et une qui va revenir être réfléchie par la plaque de verre et revenir vers la surface absorbante (6) et lui permettre de chauffer (c'est le même principe que celui de l'effet de serre).
Enfin puisque la plaque chauffe, et que l'extérieur du châssis est à température normale, une partie de la chaleur va être perdue sous forme de pertes thermiques au travers du châssis (7).
Du rayonnement (1) issu du soleil, seul (1 - 2 - 5 -7) va être récupérable sous forme de chaleur, (2 + 5 + 7) sera perdu.

Pour optimiser l'efficacité du collecteur solaire, il va donc falloir :
  • que la vitre de protection réfléchisse le moins possible le rayonnement solaire (pour minimiser 2), mais qu'au contraire elle réfléchisse le plus possible le rayonnement infrarouge émis par la surface absorbante (pour minimiser 5)
  • que la surface absorbante réfléchisse le moins possible les rayonnements et en émette également le moins possible  (pour minimiser 4)
  • que tous les matériaux constituant le châssis soient les meilleurs isolants thermiques possibles (pour minimiser 7).
Evidemment, il va également falloir que les systèmes soient légers (ils sont situés sur le toit pour maximiser l'éclairement), durables (plus la durée de vie est longue, plus le système est rentable économiquement et énergétiquement) et avec un coût modéré.

Avec les systèmes actuels, les collecteurs solaires thermiques peuvent permettre d'économiser de l'ordre de 80% de l'énergie nécessaire pour produire l'eau chaude domestique, si l'on habite dans une région française ensoleillée.

Le graphique ci-dessous montre la croissance depuis 1990 de la surface de collecteurs solaires thermiques installée chaque année en Europe (ainsi que la puissance thermique correspondante (données issues du syndicat européen du solaire thermique). En 2006 (la suite en pointillés est une prévision), il y a donc eu 3,5 km² de systèmes qui ont été installés, pour une puissance thermique de 2,5 gigawatts !



Les deux pays leader en Europe pour la puissance installée totale sont l'Autriche et l'Allemagne, qui sont pourtant loin d'être les deux pays ayant le plus fort potentiel dans le domaine !
En effet jusqu'à présent, le développement du solaire thermique individuel dépend principalement de politiques incitatives, de type crédits d'impôts. Les surfaces installées augmentent maintenant rapidement également en France (du fait d'un crédit d'impôt sur le matériel) et en Espagne (tous les bâtiments publics nouveaux ont obligation d'utiliser des collecteurs solaires thermiques).

Même s'il ne s'agit pas des systèmes auxquels on pense le plus spontanément lorsque l'on parle d'énergies renouvelables, il ne faut pas oublier que chaque kilowattheure de chaleur produite par un système solaire thermique n'a pas à l'être par un système électrique ou en faisant brûler du gaz naturel.



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Published by D. - dans solutions
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