Les capteurs solaires thermiques (également appelés capteurs solaires) sont des dispositifs conçus pour capter et convertir l'énergie solaire en chaleur utile. Cette technologie est essentielle pour les applications nécessitant le chauffage de l’eau, le chauffage des locaux ou les procédés industriels.
Comparés aux panneaux photovoltaïques, qui convertissent directement la lumière du soleil en électricité, les capteurs solaires thermiques sont spécialisés dans la production de chaleur. Leur efficacité et leurs diverses applications en ont fait un choix populaire pour améliorer l’efficacité énergétique et réduire la dépendance aux combustibles fossiles.
Il existe de nombreux types d’installations solaires thermiques selon l’objectif pour lequel elles sont conçues. Certaines utilisations courantes des capteurs solaires sont :
- Systèmes de chauffage.
- Chauffer l'eau de la piscine.
- Eau chaude sanitaire (ECS)
- Production d'électricité dans les grandes centrales solaires thermiques.
Principe de fonctionnement
Les capteurs solaires thermiques fonctionnent selon le principe de l’absorption de l’énergie solaire. Bien qu'il existe différents types de capteurs solaires, comme nous le verrons plus tard, le principe de fonctionnement est similaire dans tous.
Premièrement, le rayonnement solaire frappe une surface absorbante qui convertit l’énergie rayonnante en énergie thermique. Cette énergie thermique est transférée à un fluide caloporteur (généralement de l'eau ou un mélange d'eau et d'antigel) qui circule dans le collecteur.
Enfin, le fluide chaud est alors utilisé différemment selon l'application dans laquelle il est utilisé ou stocké pour une utilisation ultérieure.
Types de capteurs solaires thermiques
Il existe de nombreux types de capteurs solaires. Le capteur solaire utilisé dépendra de l’usage qui en sera fait. Actuellement, sur le marché de l’énergie solaire, nous pouvons différencier les types de capteurs solaires suivants :
Capteurs solaires plats (ou plaques plates)
Les capteurs solaires plats sont le type le plus courant et sont principalement utilisés pour chauffer l'eau à usage domestique, les piscines et les applications industrielles.
Ce type de capteur capte le rayonnement solaire reçu sur une surface pour chauffer un fluide. L’effet de serre est souvent utilisé pour réduire les pertes de chaleur.
L'ensemble des tubes est entouré en partie supérieure d'un couvercle qui est normalement en double vitrage, et en partie inférieure par un matériau isolant.
Caractéristiques principales
- Conception simple : La construction des capteurs solaires plats est relativement simple, ce qui contribue à leur faible coût par rapport aux autres types de capteurs.
- Efficacité dans les climats modérés : Ils sont plus efficaces dans les climats chauds et modérés où les pertes thermiques sont plus faibles. Dans les climats froids, ils peuvent perdre davantage de chaleur, ce qui peut réduire leur efficacité.
- Applications courantes : Couramment utilisé dans les systèmes de chauffage de l’eau des maisons et des piscines, ainsi que dans les applications commerciales et industrielles.
Fonctionnement d'un collecteur plat
Dans un capteur solaire plat, la plaque absorbante est exposée au soleil et se réchauffe en absorbant le rayonnement solaire. Le fluide caloporteur, qui circule dans des tubes situés à l'arrière de la plaque, absorbe la chaleur de la plaque.
Le fluide chaud est transporté vers le système de stockage afin de pouvoir être utilisé en cas de besoin pour chauffer de l'eau ou de l'air.
Collecteurs à tubes sous vide
Un capteur solaire à tubes sous vide est similaire à un capteur solaire plat mais les tubes métalliques sont remplacés par des tubes en verre. Ces tubes de verre sont encapsulés, un à un, dans un autre tube de verre entre lequel un vide est créé à titre d'isolant. Chaque tube contient un tube absorbant interne qui est en contact avec le fluide caloporteur.
Ces types de panneaux solaires thermiques ont des performances plus élevées mais leur coût est plus élevé.
Caractéristiques principales
- Haute efficacité : les collecteurs à tubes sous vide sont plus efficaces que les collecteurs plats, en particulier par temps froid et nuageux. Le vide entre les tubes de verre offre une excellente isolation thermique, réduisant ainsi les pertes de chaleur.
- Meilleures performances dans des conditions météorologiques défavorables : Sa conception permet de maintenir une efficacité élevée même par temps froid et nuageux, car le vide entre les tubes agit comme une barrière contre les pertes de chaleur.
- Applications spéciales : ils sont utilisés dans des applications qui nécessitent des performances élevées dans des conditions météorologiques défavorables, telles que le chauffage de l'eau dans les régions froides ou pour des processus industriels nécessitant des températures élevées.
Fonctionnement d'un collecteur à tube sous vide
Dans les capteurs à tubes sous vide, le rayonnement solaire frappe les tubes de verre, chauffant le tube absorbant interne. Le fluide caloporteur circule à l’intérieur du tube absorbant, où il récupère la chaleur et la transporte vers le système de stockage.
La caractéristique qui les rend spéciaux est que le vide entre les tubes de verre minimise les pertes de chaleur dans l'environnement et est donc plus efficace.
Collecteurs d'air
Les capteurs d’air sont un type moins courant de capteurs solaires thermiques qui chauffent l’air au lieu de l’eau. Ces collecteurs sont conçus pour les applications de chauffage des locaux et de séchage de produits agricoles.
Caractéristiques principales
- Conception simple : Les collecteurs d’air sont généralement plus simples à construire que les collecteurs d’eau mentionnés ci-dessus, car ils ne nécessitent pas de système de tubes de transfert de chaleur.
- Utilisation dans le chauffage des locaux : ils conviennent au chauffage des espaces, tels que les serres ou les bâtiments, ainsi qu'aux processus de séchage nécessitant de l'air chaud.
- Coût inférieur : Généralement, ils ont un coût inférieur à celui des collecteurs d’eau traditionnels en raison de leur conception plus simple et de leur moindre complexité.
Fonctionnement
Dans un capteur à air, le rayonnement solaire réchauffe l'air qui circule dans le capteur. L'air chaud est collecté et utilisé pour chauffer un espace ou pour des applications industrielles. Ces collecteurs sont généralement de type plat ou à tube sous vide, mais avec des adaptations spécifiques pour l'écoulement de l'air plutôt que du fluide liquide.
Collecteurs hybrides (photovoltaïque-thermique ou PVT)
Les capteurs hybrides combinent les technologies solaires photovoltaïques et thermiques, permettant la production simultanée d'électricité et de chaleur. Ces systèmes sont conçus pour améliorer l’efficacité globale de la collecte d’énergie solaire en exploitant les deux types d’énergie.
Caractéristiques générales
- Double production d'énergie : les collecteurs PVT produisent à la fois de l'électricité et de la chaleur, ce qui peut être plus efficace en termes d'utilisation de l'espace et des ressources.
- Diversité d'applications : Ils conviennent aux utilisations résidentielles et commerciales où la production de chauffage et d'électricité est requise, comme dans les systèmes de chauffage de l'eau et la production d'énergie domestique.
- Coût et complexité : Ils ont un coût initial plus élevé et une plus grande complexité par rapport aux capteurs solaires thermiques ou photovoltaïques individuels.
Fonctionnement
Les collecteurs hybrides combinent des panneaux photovoltaïques avec une plaque absorbante pour la génération de chaleur. Le rayonnement solaire est converti en électricité grâce aux cellules photovoltaïques et en chaleur grâce à la plaque absorbante.
D’une part, la chaleur produite est transférée vers un système de stockage, tandis que l’électricité peut être utilisée directement ou stockée dans des batteries.
Capteurs solaires à concentration
Ce type de collecteur capte le rayonnement reçu sur une surface relativement grande et le concentre à l'aide de miroirs plans sur une surface plus petite.
Bien que les capteurs à concentration aient des caractéristiques et des applications différentes de celles des capteurs plats et à tubes sous vide, ils restent une forme de capteurs solaires thermiques car ils ont tous pour objectif commun de convertir l'énergie solaire en chaleur.
Habituellement, ce type de capteurs solaires est utilisé pour générer de la vapeur d'eau à très haute pression et produire de l'énergie électrique comme dans une centrale thermique conventionnelle .
Il existe plusieurs types de concentrateurs solaires que nous décrivons ci-dessous :
Collecteurs paraboliques cylindriques
Les collecteurs paraboliques cylindriques utilisent des miroirs cylindriques en forme de paraboloïde pour concentrer la lumière du soleil sur un tube récepteur situé le long de l'axe du miroir. La lumière solaire réfléchie chauffe un fluide thermique à l’intérieur du tube, qui est ensuite utilisé pour générer de la vapeur et produire de l’électricité dans une centrale solaire.
Ce type de collecteur est très efficace pour convertir l’énergie solaire en chaleur et est utilisé dans des applications industrielles et dans des installations de production d’électricité à grande échelle.
Collecteurs à tour centrale
Les collecteurs à tour centrale sont constitués d'une tour entourée d'un champ de miroirs (héliostats) qui suivent le mouvement du soleil pour réfléchir la lumière solaire vers un récepteur situé au sommet de la tour. Le récepteur capte la lumière concentrée et la convertit en chaleur, qui peut être utilisée pour générer de la vapeur et produire de l'électricité.
Ce type de capteur est idéal pour les grandes centrales solaires, car il peut atteindre des températures extrêmement élevées et offre un rendement élevé dans la production d'électricité.
Concentrateurs de Fresnel linéaires
Les concentrateurs linéaires de Fresnel utilisent une série de miroirs plats ou légèrement incurvés pour concentrer la lumière du soleil sur un récepteur linéaire fixe. La concentration de lumière chauffe un fluide thermique qui circule dans tout le récepteur, et cette chaleur est utilisée pour générer de la vapeur ou de l'électricité.
Ces capteurs sont plus économiques que les capteurs paraboliques cylindriques et conviennent aux applications à moyenne échelle, offrant un bon équilibre entre coût et efficacité dans les zones à fort rayonnement solaire.
Avantages et inconvénients des capteurs solaires thermiques
avantage
- Coûts énergétiques réduits : les capteurs solaires thermiques peuvent réduire considérablement les coûts énergétiques en tirant parti de l’énergie solaire gratuite.
- Durabilité environnementale : Ils contribuent à la réduction des émissions de gaz à effet de serre et à l’utilisation de sources d’énergie renouvelables.
- Diversité des applications : Ils sont polyvalents et peuvent être utilisés dans une large gamme d'applications, du chauffage domestique aux processus industriels.
- Faible entretien : Ils nécessitent généralement peu d’entretien et ont une longue durée de vie.
Désavantages
- Coût initial : Le coût initial de l'installation de capteurs solaires thermiques peut être élevé, bien qu'il soit souvent récupéré au fil du temps grâce aux économies sur les coûts énergétiques.
- Dépendance climatique : L'efficacité des capteurs solaires thermiques dépend de la disponibilité de la lumière solaire, ce qui peut limiter leur efficacité dans les régions nuageuses ou en hiver.
- Espace requis : Les systèmes de capteurs solaires thermiques nécessitent une surface adéquate pour l'installation, ce qui peut constituer une limitation dans les zones où l'espace est limité.
- Stockage de chaleur : Un système de stockage est nécessaire pour utiliser la chaleur lorsqu’il n’y a pas de soleil, ce qui peut augmenter le coût et la complexité du système.
Économies d'énergie
L'utilisation de capteurs solaires thermiques dans une maison normale peut générer d'importantes économies d'énergie par rapport à une maison qui ne les utilise pas. Les capteurs solaires thermiques, en exploitant l'énergie du soleil pour chauffer l'eau, réduiraient considérablement le besoin de systèmes de chauffage de l'eau traditionnels, qui dépendent généralement de l'électricité ou des combustibles fossiles.
Une étude de l'Agence internationale des énergies renouvelables (IRENA) indique que les systèmes de capteurs solaires thermiques peuvent couvrir entre 50 % et 80 % des besoins en eau chaude sanitaire d'une maison typique en fonction de la situation géographique et de l'efficacité du système.
D'autre part, selon l' Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis , les systèmes solaires thermiques peuvent réduire les coûts de chauffage de l'eau de 50 à 70 %. En Europe, un ménage type pourrait économiser environ 200 à 280 euros par an sur une facture moyenne de 400 euros par an dédiée au chauffage de l'eau.
Pour toutes ces raisons, on estime que l'investissement initial dans les systèmes de capteurs solaires thermiques peut être récupéré dans un délai de 5 à 10 ans grâce aux économies d'énergie accumulées, en fonction des incitations locales et du coût des combustibles traditionnels.
Avenir et développement
La technologie des capteurs solaires thermiques continue d’évoluer, avec des progrès en matière de matériaux, de conception et d’efficacité.
Actuellement, la recherche se concentre sur l’amélioration de l’efficacité des capteurs solaires thermiques grâce à de nouveaux matériaux absorbants et techniques d’isolation.
D’autre part, les systèmes hybrides combinant les technologies photovoltaïques et thermiques gagnent en popularité, offrant une plus grande efficacité et polyvalence.
Du côté des coûts, la réduction des coûts de fabrication et l’adoption de nouvelles technologies peuvent rendre les capteurs solaires thermiques plus accessibles à un plus large éventail d’applications.