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Solaire thermique:

Les bases du solaire

1. Les bases du solaire

 

Nous utilisons la chaleur du Soleil depuis toujours. En été, elle chauffe directement nos maisons tandis qu'en hiver nous utilisons l'énergie solaire stockée sous forme de bois, de charbon, de pétrole et de gaz pour le chauffage de nos maisons et la production d'eau chaude sanitaire.

Pour ménager les réserves accumulées par la Nature au cours de millions d'années et réduire l'effet de serre, la branche du chauffage s'est engagée résolument sur des voies permettant d'utiliser ces réserves de manière responsable. L'utilisation de l'énergie solaire au travers de capteurs représente un complément logique de ces efforts.

Grâce à des capteurs d'un niveau technique élevé et une installation adaptée, l'utilisation économique de l'énergie solaire n'est plus une vision d'avenir, mais une réalité qui a déjà fait ses preuves dans l'utilisation quotidienne. Si on prend en compte les prix de l'énergie qui ne manqueront pas d'augmenter à l'avenir, investir dans une installation solaire est un authentique investissement pour le futur.
 

1.1. L'énergie utilisable

france ensoleillement

En moyenne annuelle, le rayonnement est en France de l'ordre de 1250 kWh/m² environ, ce qui correspond à la quantité d'énergie contenue par 125 litres de fioul ou par 125 m3 de gaz naturel environ. L'énergie utile qu'il est possible d'obtenir au travers d'un capteur solaire est fonction de plusieurs facteurs. Les plus importants sont une estimation exacte de la consommation à couvrir et la taille de l'installation qui en résulte.

L'énergie solaire totale disponible a une importance capitale. Alors qu'à Toulouse le rayonnement global disponible est de 1310 kWh/(m²/an), il n'est plus que de 1107 kWh/(m²/an) à Nancy (fig. 1).

De plus, le modèle de capteur, son inclinaison et son orientation jouent un rôle essentiel. La marche économique de l'installation solaire exige en outre un dimensionnement minutieux des composants de l'installation. Des capteurs solaires implantés dans une installation correctement dimensionnée et équipée de composants adaptés permettent d'économiser de 60 à 70 % environ des besoins énergétiques annuels pour la production d'eau chaude sanitaire dans des maisons individuelles. En été, il est parfois même possible de ne pas avoir recours à un appoint. Les autres mois, l'appoint de la production d'eau chaude sanitaire à l'énergie solaire sera assuré par un second générateur de chaleur, en règle générale une chaudière basse température fioul/gaz ou mieux, une chaudière à condensation. Les capteurs solaires peuvent assurer non seulement la production d'eau chaude sanitaire, mais encore l'appoint du chauffage.
   

1.2. La chaleur du Soleil

Près d’un tiers du total de l’énergie consommée dans notre pays est employé pour le chauffage des bâtiments.
Une architecture économisant l’énergie, mais surtout des chauffages économes permettent de réduire sensiblement cette consommation et de contribuer ainsi à la sauvegarde des ressources naturelles et à la protection de l’atmosphère terrestre.
La production d’eau chaude sanitaire est un gisement important d’économies. Les capteurs solaires associés à un ballon d’eau chaude sanitaire centralisé représentent sous nos latitudes et précisément durant les mois d’été l’alternative la plus intéressante à la chaudière et au chauffe-eau électrique standard.

1.3. La puissance rayonnée

Le rayonnement solaire est un flux d’énergie émis uniformément par le Soleil dans toutes les directions. Une puissance de 1,36 kW/m2 (constante solaire) est reçue par la Terre en dehors de l’atmosphère. Cette valeur est appelée constante solaire. Au cours de sa traversée de l’atmosphère terrestre, le rayonnement solaire est affaibli par la réflexion, les diffusions multiples et l'absorption par les particules de poussière et les molécules de gaz (fig. 2). La part du rayonnement qui traverse sans encombre l’atmosphère rencontre directement la surface terrestre : c’est le rayonnement direct. La part du rayonnement solaire réfléchi ou absorbé par des particules solides ou de gaz et rayonné à nouveau rencontre la surface terrestre dans toutes les directions : c’est le rayonnement diffus.
La somme des rayonnements direct et diffus (fig. 3) est appelée rayonnement global Rg. Il est de 1 000 W/m2 maximum dans des conditions optimales (ciel clair et sans nuages, à midi). Les capteurs solaires sont, selon le modèle et le dimensionnement de l’installation, en mesure d’utiliser jusqu’à 75 % environ du rayonnement global.

1.4. Influence de l'orientation, de l'inclinaison et de l'ombrage sur la quantité d'énergie captée

L'orientation sud et une inclinaison de 30 à 45° environ par rapport à l'horizontale assurent les meilleurs rendements pour une installation solaire à nos latitudes. Mais même avec des écarts importants (orientation

sud-ouest à sud-est, inclinaison de 25 à 70°), une installation solaire reste rentable (fig. 4).

Une inclinaison plus faible est conseillée si les capteurs ne peuvent pas être orientés vers le sud. Des capteurs solaires inclinés à 30° et orientés à 45° sud-ouest présentent encore 95 % de la puissance optimale. Et même en cas d'orientation est ou ouest, il est possible d'espérer encore 85 % si le toit est incliné de 25 à 40°. Une inclinaison plus forte du capteur offre l'avantage d'une fourniture d'énergie lissée sur l'année.

Une inclinaison inférieure à 20° est à déconseiller pour éviter tout encrassement excessif des capteurs.

Angle d'inclinaison a

Une récupération maximale de l'énergie suppose un angle d'inclinaison des capteurs solaires par rapport à la surface de la Terre en conséquence (fig. 5). Si le capteur est sur un toit à versants, l'angle d'inclinaison est celui du toit. L'absorbeur du capteur pourra capter le maximum d'énergie si le plan du capteur est perpendiculaire au rayonnement solaire.

Angle azimutal  L'angle azimutal (fig. 6) est l'angle que fait le plan du capteur par rapport au Sud ; plan du capteur orienté plein Sud = angle azimutal de 0°. Comme le rayonnement solaire est le plus intensif vers midi, le plan du capteur devra être si possible orienté vers le Sud. Des angles allant jusqu'à 45° par rapport au Sud sont cependant acceptables. Des angles supérieurs pourront être compensés en augmentant légèrement la surface de capteurs.


1.5 Optimisation de l'ensemble de l'installation

Un capteur solaire de qualité élevée n'est pas à lui seul la garantie d'un fonctionnement optimal de l'installation solaire. Ce qui importe bien plus est une solution complète (fig. 7). Les composants requis pour une installation solaire :

  • une régulation adaptée à l'installation solaire,
  • un préparateur d'eau chaude sanitaire à accumulation à échangeur de chaleur solaire placé en partie basse,
  • des détails de conception qui assurent une réaction rapide de la régulation et donc une  récupération maximale de la chaleur par l'installation solaire. Des installations solaires correctement dimensionnées et équipées de composants adaptés les uns aux autres (fig. 8) sont en mesure de couvrir 50 à 70 % des besoins énergétiques annuels pour la production d'eau chaude sanitaire des maisons individuelles et ou jumelles.