Des capteurs solaires thermiques pour produire de la chaleur

L’énergie solaire est l’énergie la plus répandue et la plus répartie dans le monde. Elle permet de produire de la chaleur et de l’électricité.

Le solaire passif pour se chauffer

En construction, on appelle « passif » un système qui ne nécessite pas ou presque pas d’énergie pour capter les rayonnements infra-rouges et pour restituer la chaleur solaire dans l’habitat.

Par exemple, un bâtiment bioclimatique, aux grandes baies vitrées bien orientées par rapport à la course du soleil (au sud dans notre hémisphère bord) et aux autres parois bien isolées, capte très bien la chaleur du soleil. Faites l’essai en vous plaçant derrière une vitre qui reçoit bien les rayons du soleil. Très rapidement une chaleur très agréable se fera ressentir !

Marineland Resort à Antibes/Frédéric Ducic Architecte

Les capteurs solaires thermiques pour chauffer l’eau

On appelle « actif » un système qui nécessite l’utilisation d’énergie pour capter et restituer l’énergie solaire.

Si vous exposez un long tuyau d’arrosage au soleil en été, l’eau qui en sortira sera chaude. L’énergie diffusée par les rayons du soleil est captée par la surface exposée du tuyau et convertie en chaleur.

En introduisant un fluide « caloporteur » (air ou eau) dans un matériau qui absorbe fortement le rayonnement global du soleil (comme un tuyau serpentant sous une plaque métallique mince noire), la chaleur récupérée migre vers le fluide. Elle est transmise à de l’eau stockée dans un ballon par la mise en circulation « active » de ce fluide. C’est ce principe qui est développé et perfectionné dans les panneaux solaires thermiques qui permettent de produire de l’eau chaude (entre 30 et 100 °C).

Cette eau chaude peut ensuite être utilisée :

  • ­Pour se laver (chauffe-eau solaires).
  • ­Pour se laver et se chauffer (systèmes solaires combinés), grâce à des radiateurs ou planchers chauffants.
  • ­Pour rafraîchir les bâtiments (systèmes solaires à sorption ou à dessiccation). Imaginez faire du froid avec du chaud : c’est tout l’art de la thermodynamique.
Roland Bourguet / ADEME

Si le capteur solaire thermique est bien orienté et si le site est assez ensoleillé, les performances de valorisation de l’énergie solaire sont bonnes. Mais cette production de chaleur solaire est intermittente et nécessite une autre énergie (appoint électrique, gaz ou bois). La nuit, le panneau solaire ne pouvant plus bénéficier de la luminosité du soleil, il ne peut plus répondre directement aux besoins de chaleur de l’habitat. Les systèmes solaires développent donc une stratégie de stockage à court termes (2 à 5 jours). La présence d’un ballon de stockage dimensionné en fonction des besoins du logement est donc nécessaire pour pouvoir disposer à tout moment de l’eau chauffée en journée.

Le Chauffe-eau solaire individuel (CESI) équipe déjà de nombreuses maisons en France, surtout pour fournir de l’eau chaude sanitaire (4 m² pour couvrir les 2/3 des besoins d’une famille de 4 personnes).

Fonctionnement d’un chauffe-eau solaire individuel optimisé

Schéma - Fonctionnement d'un chauffe-eau solaire individuel optimisé (transcription détaillée ci-après)

Lire la transcription détaillée du schéma « Fonctionnement d’un chauffe-eau solaire individuel optimisé » (PDF – 56 ko)

Le saviez-vous ?

Il existe des systèmes appelés « réseaux de chaleur » qui permettent de distribuer de la chaleur aux logements collectifs et à des bâtiments administratifs.

En savoir plus ces réseaux de chaleur

Les fours solaires pour concentrer l’énergie du soleil

En août 1882, dans le jardin des Tuileries, les ingénieurs Abel Pifre et Augustin Mouchot démontraient que l’énergie solaire pouvait faire fonctionner une presse mécanique à journaux, en alimentant un générateur vapeur grâce à un concentrateur solaire (réflecteur parabolique). Le charbon étant peu cher à l’époque, cette démonstration ne fut pas transformée en applications industrielles.

Le solaire thermodynamique, dit « à concentration », utilise uniquement le rayonnement direct du soleil, et nécessite donc un emplacement avec un fort ensoleillement, sans nuages. Grâce à cette concentration, nous pouvons obtenir des températures très élevées (de plusieurs centaines à plusieurs milliers de degrés).

Les fours solaires de Mont-Louis et d’Odeillo construits par Félix Trombe dans les Pyrénées-Orientales (environ 2 400 heures de soleil par an), sont construits après la seconde guerre mondiale, pour des recherches sur le pouvoir calorifique du soleil et le comportement des matériaux réfractaires résistants à des températures extrêmes.

Après le choc pétrolier de 1973, le four solaire d’Odeillo a permis un travail sur la production d’énergies utiles, comme l’électricité ou l’hydrogène. Il a contribué en 1983 à la construction de Thémis, l’une des premières centrales solaires thermodynamique à tour et héliostats. Jugeant le coût de production du kWh électrique trop élevé, le programme expérimental de Thémis pris fin en 1986. Sans déboucher sur une phase industrielle, le site a été reconverti pour un temps dans la recherche en astrophysique.

Four solaire d’Odeillo à Font-Romeu
Centrale solaire à tour et héliostats Thémis à Targassonne

Aujourd’hui les développements se poursuivent sur les centrales solaires à concentration, portés par les États-Unis et l’Espagne. La concentration est réalisée grâce à des réflecteurs à miroirs plans (type Fresnel) ou des réflecteurs cylindro-paraboliques. Ce principe de concentration solaire permet de produire de l’eau chaude à « haute température » (entre 200 et 500 °C) utilisée :

  • ­Par les industries pour chauffer ou refroidir.
  • ­Pour produire de l’électricité. À partir des très fortes températures atteignables, le solaire thermodynamique à concentration permet la production de vapeur d’eau capable d’être utilisée directement ou d’actionner des turbines pour produire de l’électricité pour dessaler de l’eau de mer.
Centrale à miroir de Fresnel à Llo en Cerdagne
(Pyrénées-Orientales) / Suncnim
Centrale cylindro-parabolique au Sénégal / Helioclim

Cette énergie permet ainsi à des pays où l’ensoleillement est important pendant une grosse partie de l’année d’utiliser une ressource gratuite et abondante et d’améliorer les conditions de vie des populations locales.

Des capteurs solaires photovoltaïques pour produire de l’électricité

Dans un matériau semi-conducteur photosensible (en majorité le silicium), l’absorption du flux lumineux du rayonnement solaire produit une différence de potentiel électrique entre deux points du matériau, capable de générer un courant électrique continu. C’est l’effet photovoltaïque, qui permet la transformation du rayonnement solaire en électricité.

Comment produire de l’électricité via un panneau photovoltaïque

Schéma - Comment produire de l'électricité via un panneau photovoltaïque (transcription détaillée ci-après)

Lire la transcription détaillée du schéma « Comment produire de l’électricité via un panneau photovoltaïque ? » (PDF – 52 ko)

Le silicium est fabriqué à partir de la silice (notamment présente dans le sable), une matière abondante sur Terre. Il faut rendre ce silicium très pur, ce qui nécessite une dépense initiale importante d’énergie.

Le courant électrique généré est proportionnel à la surface de la cellule photovoltaïque éclairée et à la puissance de la lumière, différente en fonction de l’heure de la journée.

En raison de leur fragilité mécanique (autour de 200 µm d’épaisseur), de leur sensibilité à l’environnement extérieur (température, humidité, corrosion), les cellules photovoltaïques sont encapsulées, protégées et connectées entre elles de façon à constituer un module photovoltaïque.

Ces modules solaires ont des reflets bleutés ou noirs. On les trouve le plus généralement sur les toits et certains modules peuvent remplacer les tuiles.

Le courant continu produit par les modules photovoltaïques est ensuite converti en courant alternatif par un onduleur (pour une chaîne de modules) ou micro-onduleur (au dos de chaque module). Ce courant alternatif peut être directement consommé par les équipements électriques du bâtiment (autoconsommation) ou être injecté dans le réseau public de distribution. La recherche a permis de trouver de nouveaux procédés (ardoises, tuiles plates, façades voire modules hybrides photovoltaïque/thermiques pour éviter la surchauffe liée à l’intégration).

Une électricité à produire et à consommer directement à la maison

L’énergie solaire, à partir des modules photovoltaïques, est utilisée depuis les années 1970 pour fournir localement de l’électricité en sites isolés : villages isolés, chalets de montagne, relais téléphoniques, bouées en mer… Ces sites qui ne sont pas raccordés au réseau électrique (trop coûteux ou trop complexe techniquement) nécessitent des batteries de stockage pour compenser l’intermittence (jour/nuit) du rayonnement solaire.

Cette technique d’autoconsommation de l’électricité avec stockage permet d’utiliser une ressource gratuite et abondante et d’améliorer les conditions de vie des populations locales des pays n’ayant pas de réseaux électriques de distribution, ou peu fiables (coupures fréquentes).

Pour les sites raccordés au réseau, si toute l’électricité n’est pas consommée, elle peut être vendue aux fournisseurs d’énergie et réinjectée dans le réseau.

Mesure de l’électricité injectée dans le réseau

Schéma - Mesure de l’électricité injectée dans le réseau (transcription détaillée ci-après)

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On peut aussi choisir de ne rien consommer à la maison et de tout vendre au fournisseur d’énergie.

Mesure de l’électricité produite et non consommée

Schéma - Mesure de l’électricité produite et non consommée (transcription détaillée ci-après)

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Il existe aussi des centrales photovoltaïques au sol pour produire de l’électricité pour tout un village par exemple.

Les centrales solaires photovoltaïques sont composées d’un ensemble de modules solaires photovoltaïques reliés en série ou en parallèle et branchés sur un ou plusieurs onduleur(s). La technique de production d’électricité est donc la même que pour des modules photovoltaïques installés sur un bâtiment, mais de puissance crête 10 à 200 fois plus grande !

Il existe plusieurs centaines de centrales photovoltaïques au sol en France, plutôt localisées dans les régions Sud-Est et Sud-Ouest.