Energie solaire thermique

Article sur l’énergie solaire thermique Sommaire Partie II Energie solaire thermique ƒ
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Qu’est‐ce que le thermosolaire ? Historique Capteurs thermosolaires et applications Types de capteurs solaires pour la production thermique Types de capteurs solaires pour la production d’électricité Chauffage solaire de l’eau Sources Qu’est‐ce que le thermosolaire ? L’énergie solaire thermique est la transformation d’énergie solaire en énergie thermique exploitable. Le rayonnement qui frappe la surface de la Terre sur la base d’une moyenne quotidienne (24 heures) est d’environ 165 W/m² (avec des variations significatives selon la latitude, l’altitude et la météo). Pour pouvoir utiliser cette source d’énergie, l’homme a commencé à se pencher plus sérieusement sur la question du thermosolaire (chaleur créée par le rayonnement solaire) et du photovoltaïque (électricité générée à partir du soleil). La quantité totale d’énergie frappant la surface de la Terre est plus de cinq mille fois plus importante que les besoins en énergie de l’humanité, son potentiel étant supérieur à celui de toutes les autres énergies renouvelables réunies. Historique Les premières applications du thermosolaire remontent à l’Antiquité (800 av. J.C. ‐ 600 ap. J.C.) lorsque l’on utilisait des miroirs ardents ou concaves pour concentrer les rayons du soleil. L’utilisation passive de l’énergie solaire était pratiquée dans l’Egypte antique, la Mésopotamie et dans les premières civilisations d’Afrique du Sud par l’architecture de leurs édifices. Par exemple, les portes étaient positionnées de manière à être du côté opposé du soleil à midi. Dans les zones caractérisées par un climat froid, les portes et fenêtres sont de préférence orientées du côté sous le vent de la maison, mais éventuellement en direction du soleil de midi. Au 18ème siècle, le scientifique Horace‐Bénédict de Saussure a inventé l’ancêtre des panneaux solaires actuels. A la suite de la première crise pétrolière du milieu des années 70, des approches pratiques de l’utilisation de l’énergie solaire ont été développées. Le premier brevet au monde pour un système solaire a été attribué au fabricant de produits métalliques Clarence M. Kemp de Baltimore en 1891. Il s’agissait d’un simple capteur thermique pour l’eau chaude. La flamme olympique est traditionnement allumée au moyen de miroirs concentrateurs depuis l’Antiquité. Capteurs thermosolaires et applications Un capteur est un dispositif qui permet de transformer l’énergie du rayonnement solaire sous une forme plus facile à utiliser ou à stocker. L’énergie des rayons du soleil se trouve sous forme de rayonnement électromagnétique de longueurs d’ondes infrarouges (longues) à ultraviolettes (courtes). L’énergie solaire frappant la surface de la Terre dépend des conditions météorologiques, ainsi que de l’emplacement et de l’orientation de la surface, mais globalement, elle avoisine en moyenne 1000 watts par mètre carré par temps clair si la surface est directement perpendiculaire aux rayons du soleil. Un capteur thermosolaire est un capteur solaire conçu pour capter la chaleur en absorbant les rayons du soleil. Le terme est appliqué aux panneaux solaires d’eau chaude, mais peut également être utilisé pour désigner des installations plus complexes telles que les capteurs solaires paraboliques, cylindriques et les tours solaires, ou des installations plus simples telles que le chauffage solaire de l’air. Les capteurs plus complexes sont généralement utilisés dans les centrales hélio‐électriques, où la chaleur solaire est utilisée pour générer de l’électricité en faisant chauffer l’eau pour produire de la vapeur, qui entraîne une turbine reliée à un générateur électrique. Les capteurs plus simples sont généralement utilisés en chauffage d’appoint dans les bâtiments à usage résidentiel et commercial. Types de capteurs solaires pour la production thermique Il existe deux grandes catégories de capteurs solaires : plans et à concentration. Dans le capteur solaire plan, la surface de captation (c’est‐à‐dire la surface qui intercepte le rayonnement solaire) est la même que la surface absorbante (c’est‐à‐dire la surface qui absorbe le rayonnement). Dans ce type de capteur, la surface complète du panneau absorbe la lumière. Les capteurs solaires plans et à tubes sous vide sont utilisés pour capter de la chaleur en vue de chauffer des locaux ou pour obtenir de l’eau chaude à usage domestique. Capteurs plans Système thermique plan pour le chauffage de l’eau, déployé sur un toit‐terrasse. Source : http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_thermal_collector, 25.11.2010 Les capteurs plans, développés dans les années 50, sont le type le plus répandu. Ils sont constitués d’un absorbeur plan sombre d’énergie solaire, d’un revêtement transparent qui permet à l’énergie solaire de traverser tout en réduisant les déperditions de chaleur, d’un fluide caloporteur (air, antigel ou eau) pour éliminer la chaleur de l’absorbeur, et d’une couche calorifuge. L’absorbeur consiste en une fine feuille absorbante (en polymères, aluminium, acier ou cuivre thermiquement stables, sur laquelle un revêtement noir mat ou sélectif est appliqué) bien souvent soutenue par une grille ou un serpentin de tuyauterie pour fluide placée dans une enveloppe isolée avec un revêtement en verre ou en polycarbonate. Dans les panneaux de chauffage d’eau, le fluide circule généralement à travers une tubulure pour transférer la chaleur de l’absorbeur jusqu’à un ballon d’eau isolé. Cela peut se faire directement ou via un échangeur thermique. La plupart des fabricants de capteurs de chauffage d’air et certains fabricants de capteurs de chauffage d’eau proposent des absorbeurs complètement noyés composés de deux feuilles de métal entre lesquelles passe le fluide. Etant donné que la surface d’échange thermique est plus grande, ils peuvent être marginalement plus efficaces que les absorbeurs classiques. Il existe plusieurs configurations de tuyauterie d’absorbeur : ƒ
Harpe : conception classique avec des colonnes montantes sur la partie inférieure et un tuyau collecteur sur la partie supérieure, utilisée dans les systèmes de thermosiphon et de pompage basse pression ƒ
Serpentin : un S continu qui optimise la température mais pas le rendement énergétique total dans les systèmes à écoulement variable, utilisé dans les systèmes solaires compacts dédiés exclusivement au chauffage de l’eau à usage domestique (pas de fonction de chauffage de locaux) ƒ
Absorbeur complètement noyé composé de deux feuilles de métal embouti pour produire une zone de circulation. Etant donné que la surface d’échange thermique est plus grande, il peut être marginalement plus efficace que les absorbeurs classiques. La plupart des capteurs plans ont une durée utile prévue de plus de 25 ans. Capteur à tubes sous vide Source : http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Vakuumroehrenkollektor_01.jpg, 19.11.2010 La plupart des capteurs à tubes sous vide utilisent des caloducs comme base plutôt que de faire passer du liquide directement dedans. Les tubes sous vides à caloducs sont composés de plusieurs tubes en verre sous vide contenant chacun une plaque absorbante fusionnée à un caloduc. La chaleur de l’extrémité chaude des caloducs est transférée vers le fluide caloporteur (de l’eau ou un mélange d’antigel, généralement du propylèneglycol) d’un système de chauffage d’eau chaude à usage domestique ou de locaux central individuel dans un échangeur thermique appelé « collecteur ». Le collecteur est enveloppé d’isolant et recouvert d’une enveloppe en tôle ou en plastique pour le protéger des intempéries. Le vide qui entoure l’extérieur du tube réduit grandement la déperdition de chaleur par convection et conduction sur l’extérieur, ce qui aboutit à une meilleure efficacité que les capteurs plans, en particulier dans les climats les plus froids. Cet avantage est largement perdu dans les climats les plus chauds, sauf dans les cas où de l’eau très chaude est souhaitable, par exemple pour l’eau de traitement commerciale. Les températures élevées éventuellement atteintes peuvent nécessiter une conception de système spéciale pour éviter ou atténuer les conditions de surchauffe. Tube sous vide verre‐verre Source : http://en.wikipedia.org/wiki/File:Evacuated_tube_diagram.jpg, 19.11.2010 Certains tubes sous vide (verre‐métal) sont composés d’une couche de verre qui est fusionnée sur le caloduc au niveau de l’extrémité supérieure et enferme le caloduc et l’absorbeur dans le vide. D’autres (verre‐
verre) sont constitués de deux couches de verre fusionnées ensemble sur l’une ou les deux extrémités avec un vide entre les couches (comme un thermos) et contiennent un absorbeur et un caloduc à une pression atmosphérique normale. Les tubes en verre‐verre ont un joint d’étanchéité au vide extrêmement fiable, mais les deux couches de verre réduisent la quantité de lumière qui atteint l’absorbeur et il y a un risque que de l’humidité pénètre dans la partie du tube qui n’est pas sous vide et entraîne la corrosion de l’absorbeur. Les tubes en verre‐métal permettent que davantage de lumière atteigne l’absorbeur, et protègent l’absorbeur et le caloduc (contenus dans le vide) de la corrosion, même s’ils sont fabriqués dans des matériaux différents (cf corrosion galvanique). La présence de jeux entre les tubes permet à la neige de traverser le capteur, ce qui réduit la perte de production par temps de neige, bien que le manque de chaleur par rayonnement dans les tubes puisse également empêcher l’élimination efficace de la neige accumulée. Capteurs solaires de chauffage d’air Capteur d’air « transpiré » non vitrifié Source : http://en.wikipedia.org/wiki/File:Transpired_Air_Collector.PNG Les capteurs solaires de chauffage d’air chauffent l’air directement, et sont presque toujours dédiés au chauffage de locaux. Ils sont également utilisés pour préchauffer l’air d’appoint dans les systèmes CVC commerciaux et industriels. Ils se divisent en deux catégories : vitrifiés et non vitrifiés. Les systèmes vitrifiés incluent une feuille supérieure transparente, ainsi que des panneaux isolés latéraux et arrière pour minimiser la déperdition de chaleur dans l’air ambiant. Les plaques absorbantes des panneaux modernes peuvent avoir une capacité d’absorption de plus de 93 %. L’air passe généralement le long de l’avant ou l’arrière de la plaque absorbante tout en se frottant à sa chaleur directe. L’air chauffé peut ensuite être distribué directement pour des applications comme le chauffage et le séchage de locaux, ou peut être stocké pour un usage ultérieur. Les systèmes non vitrifiés, ou systèmes à air transpiré, sont constitués d’une plaque absorbante par‐
dessus ou à travers laquelle l’air passe tout en se frottant à la chaleur de l’absorbeur. Ces systèmes sont généralement utilisés pour préchauffer l’air d’appoint dans les bâtiments commerciaux. Ces technologies solaires comptent parmi les solutions les plus efficaces, fiables et économiques disponibles sur le marché. Le délai de récupération pour les panneaux solaires vitrifiés de chauffage d’air peut être inférieur à 9 à 15 ans selon si le combustible est remplacé ou non. Types de capteurs solaires pour la production d’électricité Les capteurs cylindro‐paraboliques, paraboloïdes et les tours décrits dans cette section sont utilisés presque exclusivement dans les centrales générant de l’énergie solaire ou à des fins de recherche. Capteur cylindro‐parabolique Ce type de capteur est généralement utilisé dans les centrales électriques solaires. Un réflecteur parabolique en forme de goulotte est utilisé pour concentrer les rayons du soleil sur un tube isolé (tube de Dewar) ou un caloduc, placé au point focal et contenant un fluide caloporteur qui transfère la chaleur des capteurs vers les chaudières de la centrale électrique. Installation Solar Energy Generating Systems, Californie, Etats‐Unis Retrouvez plus d’informations sur ce projet ici Capteur paraboloïde Il s’agit du type de capteur le plus puissant, qui concentre les rayons du soleil en un point focal unique, via un ou plusieurs capteurs paraboloïdes, disposés de la même manière qu’un télescope à réflecteur qui concentre la lumière stellaire, ou qu’une antenne parabolique qui concentre les ondes radio. Cette géométrie peut être utilisée dans les fours solaires et les centrales électriques solaires. Source : http://en.wikipedia.org/wiki/Concentrated_solar_power, 25.11.2010 Centrale à tour Une centrale à tour est une large tour entourée de miroirs de poursuite appelés héliostats. Ces miroirs s’alignent et concentrent les rayons du soleil sur le récepteur en haut de la tour. La chaleur ainsi captée est transférée à une centrale électrique située au‐dessous. Source : http://www.solarturm‐juelich.de/en Î Plus d’informations dans l’article Energie solaire concentrée (ESC) Chauffage solaire de l’eau Chauffe‐eau solaire à thermosiphon et couplage direct monté sur un toit, Source : http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_water_heating Les systèmes de chauffe‐eau solaires incluent plusieurs innovations et de nombreuses technologies d’énergie renouvelable abouties qui ont été acceptées dans la plupart des pays pendant de nombreuses années. Ces systèmes sont largement utilisés en Israël, en Australie, au Japon, en Autriche et en Chine. Dans un système de chauffe‐eau solaire « à couplage direct », le ballon de stockage est monté horizontalement juste au‐dessus des capteurs solaires sur le toit. Aucun pompage n’est requis car l’eau chaude monte naturellement dans le ballon via l’écoulement de thermosiphon. Dans un système « circulé par pompe », le ballon de stockage est monté au sol et se trouve sous le niveau des capteurs ; une pompe de circulation déplace l’eau ou le fluide caloporteur entre le ballon et les capteurs. Les systèmes de chauffe‐eau solaire sont conçus pour fournir une quantité optimale d’eau chaude presque toute l’année. Toutefois, en hiver, il se peut qu’il n’y ait parfois pas assez d’entrée de chaleur par insolation pour fournir suffisamment d’eau chaude. Dans ce cas, un propulseur à gaz ou électrique est habituellement utilisé pour chauffer l’eau. Nouvelles installations de chauffe‐eau solaires sur l’année 2007, à l’échelle mondiale, Source : http://en.wikipedia.org/wiki/File:SolarGlobal2007V2.png
, 25.11.2010 La planète a vu une rapide croissance de l’utilisation des chauffe‐eau solaires après 1960, des systèmes étant également commercialisés au Japon et en Australie. Les innovations techniques ont permis d’améliorer les performances, comme la durée utile prévue et la facilité d’utilisation de ces systèmes. L’installation de chauffe‐eau solaires est devenue la norme dans les pays à fort rayonnement solaire, comme les pays méditerranéens, le Japon et l’Australie. En 2005, l’Espagne est devenue le premier pays au monde à imposer l’installation de systèmes de production d’électricité photovoltaïque dans les nouveaux bâtiments, et le deuxième (après l’Israël) à imposer l’installation de systèmes de chauffe‐eau solaires en 2006. L’Australie distribue différentes primes (nationales et étatales) et a mis en place des réglementations (étatales) pour toute installation thermosolaire réalisée à partir de l’instauration du programme MRET (objectifs obligatoires en matière d’énergies renouvelables) en 1997. Les système de chauffe‐eau solaires se sont popularisés en Chine, où les modèles d’entrée de gamme commencent à environ 1500 yuan (190 $ US), bien moins chers que dans les pays occidentaux (environ 80 % moins chers pour une taille de capteur donnée). Il se dit qu’au moins 30 millions de ménages chinois en possèdent un désormais, et que leur popularité est due aux tubes sous vide efficaces qui permettent aux chauffe‐eau de fonctionner même par temps gris et à des températures bien inférieures au seuil de gel. L’Israël et Chypre sont les numéros un par habitant pour ce qui est de l’utilisation de systèmes de chauffe‐eau solaires, avec plus de 30 à 40 % de foyers qui en sont équipés. Sources http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_thermal_collector, 25.11.2010 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Vakuumroehrenkollektor_01.jpg, 19.11.2010 http://en.wikipedia.org/wiki/File:Evacuated_tube_diagram.jpg, 19.11.2010 http://en.wikipedia.org/wiki/Concentrated_solar_power, 25.11.2010 http://www.solarturm‐juelich.de/en, 25.11.2010 http://www.solaripedia.com/13/32/solar_energy_generating_systems_%28mojave_desert,_californi
a,_usa%29.html http://en.wikipedia.org/wiki/File:Calefon_solar_termosifonico_compacto.jpg, 25.11.2010