L'énergie solaire comme source d'énergie alternative : types et caractéristiques des systèmes solaires
Au cours de la dernière décennie, l'énergie solaire en tant que source d'énergie alternative est de plus en plus utilisée pour le chauffage et la fourniture d'eau chaude des bâtiments. La principale raison est la volonté de remplacer les combustibles traditionnels par des ressources énergétiques accessibles, écologiques et renouvelables.
La conversion de l'énergie solaire en chaleur s'effectue dans les héliosystèmes – la conception et le principe de fonctionnement du module déterminent la spécificité de son utilisation. Dans cet article, nous examinerons les différents types de capteurs solaires et leurs principes de fonctionnement, et nous vous présenterons des modèles populaires de modules solaires.
Contenu de l’article :
- Pertinence de l'utilisation d'un héliosystème
- Structure générale et principe de fonctionnement
- Types de capteurs solaires
- Héliosystèmes : particularités de conception et d'exploitation
- Conditions de fonctionnement et d'amélioration de l'efficacité
- Modèles populaires de modules « solaires »
- Conclusions et vidéo utile sur le sujet
Pertinence de l'utilisation d'un héliosystème
Un héliosystème est un ensemble destiné à convertir l'énergie rayonnante du soleil en énergie thermique, qui est ensuite transmise à un échangeur de chaleur pour chauffer le fluide caloporteur du système de chauffage ou d'alimentation en eau chaude.
L'efficacité de l'installation héliothermique dépend de l'ensoleillement – la quantité d'énergie reçue pendant une journée lumineuse par 1 m² de surface orientée à 90° par rapport à la direction des rayons solaires. L'unité de mesure de cet indicateur est le kWh/m², et sa valeur varie selon la saison.
Le niveau moyen d'ensoleillement pour une région au climat continental tempéré est de 1000 à 1200 kWh/m² (par an). La quantité de soleil est le paramètre déterminant pour le calcul des performances d'un système solaire.

L'installation d'un système de chauffage solaire est une opération coûteuse. Pour que les dépenses en capital soient rentabilisées, un calcul précis du système et le respect de la technologie d'installation sont nécessaires.
Exemple. La valeur moyenne de l'ensoleillement pour Toula au milieu de l'été est de 4,67 kWh/m²*jour, à condition que le panneau du système soit installé à un angle de 50°. La performance d'un capteur solaire d'une surface de 5 m² se calcule comme suit : 4,67 * 4 = 18,68 kW d'énergie thermique par jour. Ce volume suffit pour chauffer 500 litres d'eau de 17 °C à 45 °C.

En parlant de l'opportunité d'introduire de nouvelles technologies, il est important de prendre en compte les caractéristiques techniques d'un capteur solaire spécifique. Certains commencent à fonctionner à 80 W/m² d'énergie solaire, tandis que d'autres se contentent de 20 W/m².
Même dans un climat méridional, l'utilisation d'un système de capteurs exclusivement pour le chauffage ne sera pas rentable. Si l'installation n'est utilisée qu'en hiver, en période de faible ensoleillement, le coût de l'équipement ne sera pas amorti avant 15 à 20 ans.
Pour utiliser le complexe solaire de manière optimale, il est nécessaire de l'intégrer au système d'eau chaude sanitaire. Même en hiver, le capteur solaire permettra de réduire les factures d'énergie pour le chauffage de l'eau jusqu'à 40 à 50 %.

Outre les avantages économiques, le « chauffage solaire » présente d'autres atouts :
- Écologique. Les émissions de dioxyde de carbone sont réduites. Par an, 1 m² de capteur solaire empêche le rejet de 350 à 730 kg de résidus dans l'atmosphère.
- Esthétiques. L'espace d'une salle de bains ou d'une cuisine compacte peut être débarrassé des encombrants chauffe-eau ou chauffe-eau à gaz.
- Durabilité. Les fabricants assurent qu'en respectant la technique d'installation, le système durera environ 25 à 30 ans. De nombeuses entreprises offrent une garantie allant jusqu'à 3 ans.
Argments contre l'utilisation de l'énergie solaire : une saisonnalité marquée, une dépendance aux conditions météorologiques et des investissements initiaux élevés.
Structure générale et principe de fonctionnement
Considérons une version du système solaire avec un capteur comme élment de travail principal. L'apparence de l'appareil ressemble à une boîte métallique dont la face avant est en verre trempé. À l'intérieur du boîtier se trouve l'organe de travail – un serpentin avec absorbeur.
Le bloc absorbant assure le chauffage du fluide caloporteur – un liquide en circulation transmet la chaleur générée au circuit d'alimentation en eau.

Le capteur solaire fonctionne nécessairment en tandem avec un ballon de stockage. Come le fluide caloporteur est chauffé à une temérature de 90 à 130 °C, il ne peut pas être envoyé directment aux robinets d'eau chade sanitair ou aux radiateurs de chauffage. Le fluide caloporteur entre dans l'échangeur de chaleur du chauffe-eau. Le ballon de stockage est souvent complété par un chauffage électrique.
Schéma de fonctionnement :
- Le soleil chauffe la surface du collecteur.
- Le rayonnment thermique est transmis à l'élément absorbant (absorbeur), qui contient le fluide de travail.
- Le fluide caloporteur circulant dans les tubes du serpentin se réchauffe.
- L'équipement de pompage, l'unité de commande et de contrôle assurent l'évacuation du fluide caloporteur par la canalisation vers le serpentin du ballon de stockage.
- Le transfert de chaleur à l'eau dans le chauffe-eau est effectué.
- Le caloporteur refroidi retourne dans le collecteur et le cycle se répète.
L'eau chauffée par le chauffe-eau est distribuée vers le circuit de chauffage ou les points de puisage.

Les panneaux solaires dans l'aménagement des maisons individuelles sont le plus souvent utilisés comme source d'électricité de secours :
Types de capteurs solaires
Quel que soit l'usage, le système solaire est équipé d'un capteur solaire plat ou d'un capteur tubulaire sphérique. Chacune de ces variantes présente un certain nombre de particularités distinctives en termes de caractéristiques techniques et d'efficacité d'exploitation.
À tubes sous vide – pour les climats froids et tempérés
Sur le plan structurel, le capteur solaire sous vide ressemble à un thermos – des tubes étroits contenant le caloporteur sont placés dans des ampoules de plus grand diamètre. Une couche de vide se forme entre les récipients, responsable de l'isolation thermique (conservation de la chaleur jusqu'à 95%). La forme tubulaire est la plus adaptée pour maintenir le vide et capter les rayons solaires.

Le tube interne (thermique) est rempli d'une solution saline à bas point d'ébullition (24-25 °C). Lorsqu'elle est chauffée, la solution s'évapore – les vapeurs montent dans l'ampoule et chauffent le caloporteur circulant dans le corps du capteur.
Au cours de la condensation, les gouttelettes d'eau s'écoulent dans l'embout du tube et le processus se répète.
Grâce à la présence d'une couche de vide, le liquide à l'intérieur du ballon thermique peut bouillir et s'évaporer à des températures extérieures négatives (jusqu'à -35 °C).
Les caractéristiques des modules solaires dépendent des critères suivants :
- construction du tube : à ailettes, coaxial ;
- dispositif du canal thermique : «Heat pipe», circulation à flux direct.
Ballon à ailettes – un tube de verre contenant un absorbeur en plaque et un canal thermique. La couche de vide traverse toute la longueur du canal thermique.
Tube coaxial – un double ballon avec une « insertion » sous vide entre les parois des deux réservoirs. Le transfert de chaleur s'effectue depuis la surface intérieure du tube. L'embout du tube thermique est équipé d'un indicateur de vide.

Le canal «Heat pipe» – est la variante la plus courante de transfert de chaleur dans les capteurs solaires thermiques.
Le mécanisme d'action repose sur le placement d'un liquide facilement évaporable dans des tubes métalliques étanches.

Canal à flux direct – des tubes métalliques parallèles reliés en forme de U traversent le ballon en verre.
Le fluide caloporteur, en circulant dans le canal, se réchauffe et est acheminé vers le corps du capteur.

Les tubes coaxiaux et à ailettes peuvent être combinés de différentes manières avec les canaux thermiques.
Variante 1. Ballon coaxial avec «Heat pipe» – la solution la plus populaire. Dans le capteur, la chaleur est transférée plusieurs fois des parois du tube en verre au ballon intérieur, puis au fluide caloporteur. Le rendement optique atteint 65 %.

Variante 2. Le ballon coaxial avec circulation directe est connu sous le nom de collecteur en U. Grâce à sa conception, les pertes de chaleur sont réduites – l'énergie thermique de l'aluminium est transmise aux tubes contenant le caloporteur en circulation.
En plus d'un rendement élevé (jusqu'à 75 %), ce modèle présente des inconvénients :
- la complexité de l'installation – les ballons forment un seul bloc avec le boîtier à deux tubes du collecteur (manifold) et sont installés en une seule pièce ;
- le remplacement des tubes individuels est exclu.
De plus, l'unité en U est exigeante quant au caloporteur et plus chère que les modèles « Heat pipe ».

Variante 3. Tube à ailettes avec principe de fonctionnement « Heat pipe ». Caractéristiques distinctives du capteur :
- des performances optiques élevées – rendement d'environ 77 % ;
- un absorbeur plat transmet directement l'énergie thermique au tube contenant le caloporteur ;
- grâce à l'utilisation d'une seule couche de verre, la réflexion du rayonnement solaire est réduite ;
Le remplacement d'un élément endommagé est possible sans vidanger le caloporteur du système solaire.
Variante 4. Le ballon à ailettes à action directe est l'outil le plus efficace pour utiliser l'énergie solaire comme source d'énergie alternative pour le chauffage de l'eau ou le chauffage résidentiel. Ce capteur haute performance fonctionne avec un rendement de 80 %. L'inconvénient du système est la difficulté de réparation.

Quelle que soit la configuration, les capteurs tubulaires présentent les avantages suivants :
- fonctionnement à basse température ;
- faibles pertes thermiques ;
- longue durée de fonctionnement au cours de la journée ;
- capacité à chauffer le caloporteur à des températures élevées ;
- faible prise au vent ;
- simplicité d'installation.
Le principal inconvénient des modèles sous vide est l'impossibilité de s'auto-nettoyer de la couverture neigeuse. La couche de vide ne laisse pas la chaleur s'échapper, donc la neige ne fond pas et bloque l'accès du soleil au champ de capteurs. Inconvénients supplémentaires : prix élevé et nécessité de respecter un angle d'inclinaison de travail des ballons d'au moins 20°.
Les appareils solaires à capteur qui chauffent le caloporteur à air peuvent être utilisés pour la préparation d'eau chaude s'ils sont équipés d'un réservoir de stockage :
Pour plus de détails sur le principe de fonctionnement du collecteur solaire à tubes sous vide, lisez la suite.
À eau – l'option optimale pour les latitudes méridionales
Le capteur solaire plat (panneau) est une plaque rectangulaire en aluminium recouverte d'un couvercle en plastique ou en verre. À l'intérieur du caisson se trouvent un champ d'absorption, un serpentin métallique et une couche d'isolation thermique. La surface du collecteur est remplie d'un tuyau de circulation dans lequel le fluide caloporteur se déplace.

L'absorption thermique du revêtement absorbant hautement sélectif atteint 90 %. Le tuyau métallique de circulation est placé entre « l'absorbeur » et l'isolation thermique. Deux schémas de pose des tubes sont utilisés : « harpe » et « méandre ».
Le processus d'assemblage des capteurs solaires chauffant le fluide caloporteur liquide comprend une série d'étapes traditionnelles :
Si le circuit de chauffage est complété par une ligne fournissant de l'eau sanitaire pour l'ECS, il est judicieux de raccorder un accumulateur de chaleur au capteur solaire. La solution la plus simple est un réservoir de capacité appropriée avec une isolation thermique capable de maintenir la température de l'eau chauffée. Il doit être installé sur un support surélevé :
Un capteur tubulaire à fluide caloporteur liquide agit par effet de serre : les rayons du soleil traversent le verre et chauffent le pipeline. Grâce à l'étanchéité et à l'isolation thermique, la chaleur est retenue à l'intérieur du panneau.
La robustesse du module solaire dépend en grande partie du matériau du couvercle de protection :
- verre ordinaire – le revêtement le moins cher et le plus fragile ;
- verre trempé – haut degré de diffusion de la lumière et résistance accrue ;
- verre antireflet – se caractérise par une capacité d'absorption maximale (95 %) grâce à une couche qui élimine la réflexion des rayons du soleil ;
- verre autonettoyant (polaire) au dioxyde de titane – les salissures organiques brûlent au soleil et les résidus de débris sont emportés par la pluie.
Le verre polycarbonate est le plus résistant aux chocs. Ce matériau est utilisé dans les modèles coûteux.

Caractéristiques opérationnelles et fonctionnelles des installations solaires à panneaux :
- dans les systèmes à circulation forcée, une fonction de dégivrage est prévue, permettant d'éliminer rapidement la couverture neigeuse sur le champ solaire ;
- le verre prismatique capte une large gamme de rayons sous différents angles – en été, le rendement de l'installation atteint 78-80 % ;
- le capteur ne craint pas la surchauffe – en cas d'excès d'énergie thermique, un refroidissement forcé du fluide caloporteur est possible ;
- une résistance aux chocs supérieure par rapport aux modèles tubulaires ;
- possibilité de montage sous n'importe quel angle ;
- une politique tarifaire abordable.
Les systèmes ne sont pas exempts d'inconvénients. En période de manque de rayonnement solaire, à mesure que la différence de température augmente, le rendement d'un capteur solaire plan chute considérablement en raison d'une isolation thermique insuffisante. Par conséquent, le module à panneaux se justifie en été ou dans les régions au climat chaud.
Héliosystèmes : particularités de conception et d'exploitation
La diversité des systèmes solaires peut être classée selon les paramètres suivants : méthode d'utilisation du rayonnement solaire, mode de circulation du fluide caloporteur, nombre de circuits et saisonnalité d'exploitation.
Complexe actif et passif
Dans tout système solaire de conversion d'énergie, un récepteur solaire est prévu. En fonction de la manière dont la chaleur obtenue est utilisée, on distingue deux types de complexes solaires : passifs et actifs.
La première variété est un système de chauffage solaire où les éléments structurels du bâtiment font office d'élément absorbant la chaleur du rayonnement solaire. La surface réceptrice solaire est constituée par le toit, le mur-capteur ou les fenêtres.

Dans les pays européens, les technologies passives sont utilisées dans la construction de bâtiments économes en énergie. Les surfaces réceptrices solaires sont décorées comme de fausses fenêtres. Derrière la couverture vitrée se trouve un mur en brique noircie avec des ouvertures lumineuses.
Les éléments de la structure – murs et planchers isolés à l'extérieur par du polystyrène – font office d'accumulateurs thermiques.
Les systèmes actifs impliquent l'utilisation de dispositifs indépendants qui ne font pas partie de la structure.

Systèmes à thermosiphon et à circulation
L'équipement héliothermique à circulation naturelle du fluide caloporteur dans le circuit collecteur-accumulateur-collecteur fonctionne par convection : le fluide chaud, de faible densité, monte, tandis que le fluide refroidi descend.
Dans les systèmes thermosiphons, le réservoir de stockage est placé au-dessus du collecteur, assurant une circulation spontanée du fluide caloporteur.

Un système héliothermique non pressurisé présente une longue liste d'inconvénients :
- par temps nuageux, les performances du système chutent – une grande différence de température est nécessaire pour la circulation du fluide caloporteur ;
- pertes thermiques dues au déplacement lent du fluide ;
- risque de surchauffe du réservoir en raison du caractère incontrôlable du processus de chauffage ;
- instabilité de fonctionnement du collecteur ;
- difficulté de placement du réservoir de stockage – lors de l'installation sur le toit, les pertes thermiques augmentent, les processus de corrosion s'accélèrent, et il existe un risque de gel des raccords.
Avantages du système « gravitationnel » : simplicité de conception et accessibilité financière.
Les dépenses d'investissement pour l'installation d'un système héliothermique à circulation (forcée) sont nettement supérieures à celles d'un système non pressurisé. Une pompe est intégrée au circuit pour assurer la circulation du fluide caloporteur. Le fonctionnement de la station de pompage est contrôlé par un régulateur.

Ce mode de circulation est utilisé dans les installations héliothermiques à double circuit fonctionnant toute l'année.
Avantages du système complet :
- choix illimité de l'emplacement du réservoir de stockage ;
- fonctionnement hors saison ;
- choix du mode de chauffage optimal ;
- sécurité – verrouillage du fonctionnement en cas de surchauffe.
Inconvénient du système : dépendance à l'électricité.
Solution technique des schémas : à un et deux circuits
Dans les installations à un seul circuit, un liquide circule, qui est ensuite distribué aux points de puisage. En hiver, l'eau du système doit être vidangée pour éviter le gel et la fissuration des tuyaux.
Caractéristiques des systèmes héliothermiques à un seul circuit :
- il est recommandé de remplir le système avec de l'eau purifiée non calcaire – le dépôt de sels sur les parois des tuyaux entraîne le colmatage des canaux et la panne du collecteur ;
- corrosion due à l'excès d'air dans l'eau ;
- durée de vie limitée – de quatre à cinq ans ;
- rendement élevé en été.
Dans les systèmes héliothermiques à double circuit, circule un fluide caloporteur spécial (liquide antigel avec additifs antimousse et anticorrosion) qui cède sa chaleur à l'eau via un échangeur de chaleur.

Particularités de fonctionnement du module à deux circuits : une légère baisse du rendement (3-5 % de moins que dans un système à un circuit), la nécessité de remplacer complètement le fluide caloporteur tous les 7 ans.
Conditions de fonctionnement et d'amélioration de l'efficacité
Il est préférable de confier le calcul et l'installation du système solaire à des professionnels. Le respect des règles d'installation garantira le bon fonctionnement et la performance annoncée. Pour améliorer l'efficacité et la durée de vie, il faut tenir compte de certaines particularités.
Vanne thermostatique. Dans les systèmes de chauffage traditionnels, l'élément thermostatique est rarement installé, car le générateur de chaleur contrôle la régulation de la température. Cependant, lors de l'installation d'un système solaire, il ne faut pas oublier la vanne de protection.

L'emplacement optimal de la vanne est à 60 cm du chauffage. En cas de proximité, le « thermostat » chauffe et bloque l'alimentation en eau chaude.
Emplacement du ballon de stockage. Le réservoir tampon d'eau chaude sanitaire doit être installé dans un endroit accessible. En cas d'installation dans une pièce compacte, une attention particulière doit être portée à la hauteur sous plafond.

Installation du vase d'expansion. L'élément compense la dilatation thermique en période de stagnation. Installer le vase au-dessus de l'équipement de la pompe provoquera une surchauffe de la membrane et son usure prématurée.

Raccordement du circuit solaire. Lors du raccordement des tuyaux, il est recommandé de créer une boucle. La « thermoboucle » réduit les pertes de chaleur en empêchant la sortie du liquide chauffé.

Clapet anti-retour. Il empêche le « renversement » de la circulation du fluide caloporteur. En cas de manque d'ensoleillement, le clapet anti-retour empêche la dissipation de la chaleur accumulée pendant la journée.
Modèles populaires de modules « solaires »
Les systèmes solaires des entreprises nationales et étrangères sont très demandés. Les produits des fabricants suivants ont acquís une bonne réputation : NPO Machinostroïenia (Russie), Guelion (Russie), Ariston (Italie), Alten (Ukraine), Viessman (Allemagne), Amcor (Israël), etc.
Système solaire « Sokol ». Capteur solaire plat doté d’un revêtement optique multicouche par pulvérisation magnétron. Une capacité d’émission minimale et un haut niveau d’absorption assurent un rendement allant jusqu’à 80 %.
Caractéristiques de fonctionnement :
- température de fonctionnement – jusqu’à -21 °C ;
- rayonnement thermique inverse – 3-5 % ;
- couche supérieure – verre trempé (4 mm).
Capteur SVK-A (Alten). Installation solaire à tubes sous vide avec une surface d’absorption de 0,8 à 2,41 m² (selon le modèle). Fluide caloporteur – propylène glycol, l’isolation thermique de l’échangeur de chaleur en cuivre de 75 mm minimise les pertes de chaleur.
Paramètres supplémentaires :
- corps – aluminium anodisé ;
- diamètre de l’échangeur de chaleur – 38 mm ;
- isolation – laine minérale avec traitement anti-hygroscopique ;
- revêtement – verre borosilicate de 3,3 mm ;
- rendement – 98 %.
Vitosol 100-F – capteur solaire plat pour montage horizontal ou vertical. Absorbeur en cuivre avec serpentin tubulaire en forme de harpe et revêtement au titane solaire. Transmission lumineuse – 81 %.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet
Principe de fonctionnement des capteurs solaires et leurs types :
Évaluation des performances d’un capteur plat à température négative :
Technologie d’installation d’un capteur solaire panel sur l’exemple du modèle Buderus :
L'énergie solaire est une source renouvelable de chaleur. Compte tenu de la hausse des prix des sources d'énergie traditionnelles, l'adoption de systèmes solaires justifie les investissements en capital et est amortie dans les cinq ans suivant le respect des techniques d'installation.
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Utiliser l'énergie solaire pour éclairer et chauffer la maisn – c'est mon rêve. Je vais éconmiser de l'argent et le réaliser. Une de mes connaissancs a installé des panneaux solaires sur le toit. L'ensemble du processus de conversion a coûté 25 000 dolllars. Aujourd'hui, l'électricité leur suffit pour leur famille et ils vendent même le surplus à l'État. Ils ont calculé que les coûts seront amortis en 6 ans, puis ils généreront des revenus. Un investissement prometteur.
Votre connaissance vous trompe – un particulier ne peur pas vendre de l'électricité à l'État. Et l'équipement n'est pas éternel. Il faudra l'entretenir et le réparer.
Il faudrait attendre encore une vingtaine d'années – peut-être que cela deviendra plus accessble. Mais pas dans notr pays…
Il y aura encore beaucoup de débats autour de ce sujet. J'ai lu à plusieurs reprises des études sceptiques quant à la rentabilité de tels projets. Apparemment, tout dépend de la situation régionale de la maison. Même avec une consommation d'électricité de 1 000 kWh par mois à 0,03 €, on n'arrive pas à 25 000 dollars en 5 ans).
Par contre, pour le chauffage, c'est intéressant à mon avis. Seulement, une question se pose : le capteur solaire thermique peut-il prendre en charge entièrement le chauffage et l'eau chaude sous les latitudes moyennes ? Alors la question de la rentabilité devient secondaire.
Bonjour. Je me pose aussi activement cette question et le problème ne réside pas dans les latitudes moyennes, mais dans la durée du jour. Les panneaux et les capteurs fonctionnent à la lumière du soleil, pas à la chaleur du soleil. La durée du cycle lumineux en hiver, la nuit, la saison nuageuse (et parfois ce temps dure des semaines).
La version des fabricants sur un amortissement en 10 ans devient douteuse, compte tenu de la durée de vie moyenne des panneaux de 25 ans et des batteries de 12 ans. Et la version récemment calculée d'un amortissement en 45 ans semble de plus en plus plausible, ce qui ne paraît plus vraiment pertinent.
Et comment calculer la rentabilité pour le kraï de Krasnodar ? Chez nous, le nombre de jours ensoleillés est satisfaisant. Sera-t-il difficile d'installer les panneaux soi-même ?
Bonjour, Boris. Dans le kraï de Krasnodar, les énergies alternatives sont assez bien développées, en particulier les centrales solaires au réseau (SES).
En ce qui concerne la rentabilité, il est nécessaire d'effectuer quelques calculs. Pour être plus clair, je vais donner l'exemple d'un projet réalisé pour la ville de Sotchi, une centrale solaire au réseau (SES) d'une puissance de 10 kW. Prenons immédiatement en compte le tarif local de l'électricité de 0,079 €/kWh.
Le coût de la centrale elle-même est de 5 900 €, plus le bois et les fixations pour la toiture, les consommables et les travaux d'installation s'élèvent à 1 100 €. Le total s'élève à 7 000 €.
Je joins le graphique de la production totale annuelle d'électricité de la centrale solaire de 10 kW, qui est de 15 900 kWh. Le graphique des économies mensuelles moyennes montre que la centrale solaire permet d'économiser un montant de 1 250 € par an.
Il est facile de calculer qu'à Sotchi, une telle installation devient rentable au bout de 5 ans.
Pour le montage, je vous conseille de le confier à une équipe d'une organisation spécialisée dans le montage thermotechnique, afin d'obtenir une garantie officielle.