Comment fabriquer un capteur solaire pour le chauffage de vos propres mains : guide pas à pas

La hausse du coût des sources d'énergie traditionnelles incite les propriétaires de maisons individuelles à rechercher des alternatives pour le chauffage de leur logement et de l'eau. Vous conviendrez que l'aspect financier de la question joue un rôle non négligeable dans le choix d'un système de chauffage.

L'un des moyens les plus prometteurs de l'approvisionnement énergétique est la conversion du rayonnement solaire. Pour cela, on utilise des systèmes solaires. En comprenant le principe de leur conception et de leur fonctionnement, fabriquer un capteur solaire pour le chauffage soi-même ne sera pas très difficile.

Nous allons vous parler des caractéristiques de conception des systèmes solaires, vous proposer un schéma de montage simple et décrire les matériaux qui peuvent être utilisés. Les étapes du travail sont accompagnées de photos illustratives, le matériel est complété par des vidéos sur la création et la mise en service d'un capteur fait maison.

Principe de fonctionnement et caractéristiques de conception

Les systèmes héliothermiques modernes – l'un des types de sources alternatives de chaleur. Ils sont utilisés comme équipement de chauffage auxiliaire, convertissant le rayonnement solaire en énergie utile pour les propriétaires de maison.

Ils peuvent fournir entièrement l'eau chaude sanitaire et le chauffage pendant la saison froide uniquement dans les régions méridionales. Encore faut-il qu'ils occupent une surface suffisamment grande et soient installés sur des emplacements dégagés, non ombragés par des arbres.

Malgré le grand nombre de variétés, le principe de fonctionnement est le même. Tout système héliothermique représente un circuit avec une disposition séquentielle d'appareils, fournissant l'énergie thermique et la transmettant au consommateur.

Les éléments de travail principaux sont les panneaux solaires à photopiles ou les capteurs solaires. La technologie d'assemblage d'un générateur solaire sur photoplaques est un peu plus complexe que celle d'un capteur tubulaire.

Dans cet article, nous examinerons la deuxième option : le système solaire à capteurs.

Les capteurs solaires ne servent pour l'instant que de fournisseurs d'énergie auxiliaires. Passer entièrement le chauffage de la maison à un système solaire est dangereux en raison de l'impossibilité de prévoir avec certitude le nombre de jours ensoleillés.

Les capteurs sont constitués d'un système de tubes connectés en série à un circuit d'entrée et de sortie, ou disposés en serpentin. Dans les tubes circule de l'eau technique, un flux d'air ou un mélange d'eau avec un liquide antigel.

La circulation est stimulée par des phénomènes physiques : l'évaporation, les changements de pression et de densité lors du passage d'un état à un autre, etc.

Le principe de fonctionnement des capteurs solaires repose sur la réception et l'accumulation de l'énergie solaire transmise au fluide caloporteur (+)

La collecte et l'accumulation de l'énergie solaire sont effectuées par des absorbeurs. Il peut s'agir soit d'une plaque métallique pleine avec une surface extérieure noircie, soit d'un système de plaques individuelles reliées aux tubes.

Pour la fabrication de la partie supérieure du boîtier, le couvercle, on utilise des matériaux à haute capacité de transmission du flux lumineux. Il peut s'agir de verre acrylique, de matériaux polymères similaires, ou de types de verre trempé traditionnel.

Afin d'éviter les pertes d'énergie par l'arrière de l'appareil, une isolation thermique est placée dans le boîtier.

Il faut dire que les matériaux polymères supportent assez mal l'influence des rayons ultraviolets. Tous les types de plastique ont un coefficient de dilatation thermique assez élevé, ce qui entraîne souvent une dépressurisation du boîtier. Par conséquent, l'utilisation de tels matériaux pour la fabrication du boîtier du capteur doit être limitée.

L'eau comme fluide caloporteur ne peut être utilisée que dans les systèmes destinés à fournir une chaleur supplémentaire pendant la période automne/printemps. Si l'utilisation du système solaire est prévue toute l'année, avant le premier refroidissement, l'eau technique est remplacée par un mélange d'eau et d'antigel.

Dans les systèmes solaires à air, le fluide caloporteur est l'air. Les canaux pour son mouvement peuvent être fabriqués à partir de tôle profilée ordinaire (+)

Si le capteur solaire est installé pour chauffer un petit bâtiment sans connexion au chauffage autonome de la villa ou aux réseaux centralisés, on construit un système monocircuit très simple avec un appareil de chauffage à son début.

La chaîne n'inclut pas de pompes de circulation ni d'appareils de chauffage. Le schéma est extrêmement simple, mais il ne peut fonctionner que pendant un été ensoleillé.

Lors de l'intégration du capteur dans une installation technique à double circuit, tout est beaucoup plus complexe, mais la plage de jours propices à l'utilisation est considérablement élargie. Le capteur ne traite qu'un seul circuit. La charge prédominante incombe à l'unité de chauffage principale, fonctionnant à l'électricité ou à tout type de combustible.

Pour fabriquer un capteur solaire, vous pouvez utiliser un schéma prêt à l'emploi, ou construire votre propre modèle pilote et le tester en pratique (+)

Malgré la dépendance directe des performances des appareils solaires au nombre de jours ensoleillés, ils sont demandés, et la demande pour ces dispositifs solaires augmente régulièrement. Ils sont populaires parmi les bricoleurs qui cherchent à canaliser toutes les formes d'énergie naturelle dans une direction utile.

Classification selon les critères de température

Il existe un assez grand nombre de critères selon lesquels les différentes conceptions de systèmes solaires sont classifiées. Cependant, pour les appareils que l'on peut fabriquer soi-même et utiliser pour la production d'eau chaude sanitaire et le chauffage, la division la plus rationnelle est par type de caloporteur.

Ainsi, les systèmes peuvent être liquides ou à air. Le premier type est le plus souvent utilisé.

En outre, on utilise souvent une classification par la température à laquelle les éléments de travail du capteur peuvent chauffer :

1. Basse température. Les modèles capables de chauffer le caloporteur jusqu'à 50 °C. Ils sont utilisés pour chauffer l'eau dans les réservoirs d'arrosage, les baignoires et les douches en été, ainsi que pour améliorer le confort lors des soirées fraîches de printemps et d'automne.
2. Moyenne température. Ils assurent une température du caloporteur de 80 °C. Ils peuvent être utilisés pour le chauffage des pièces. Ces modèles sont les plus adaptés pour l'aménagement de maisons individuelles.
3. Haute température. La température du caloporteur dans ces installations peut atteindre 200-300 °C. Ils sont utilisés à l'échelle industrielle, installés pour le chauffage d'ateliers de production, de bâtiments commerciaux, etc.

Dans les systèmes solaires à haute température, un processus assez complexe de transfert d'énergie thermique est utilisé. De plus, ils occupent un espace considérable, ce que la plupart de nos amateurs de vie à la campagne ne peuvent pas se permettre.

Leur fabrication est laborieuse et leur mise en œuvre nécessite un équipement spécialisé. Il est pratiquement impossible de réaliser soi-même un tel système solaire.

Il est assez difficile de fabriquer soi-même des panneaux solaires à haute température basés sur des convertisseurs photovoltaïques à la maison.

Fabrication personnelle du capteur

Fabriquer soi-même un dispositif solaire est un processus passionnant qui apporte de nombreux avantages. Il permet d'utiliser rationnellement le rayonnement solaire gratuit et de résoudre plusieurs tâches domestiques importantes. Examinons les spécificités de la création d'un capteur plat qui fournit de l'eau chauffée au système de chauffage.

Matériaux pour l'assemblage maison

Le matériau le plus simple et le plus abordable pour assembler soi-même le boîtier d'un capteur solaire – une poutre en bois avec une planche, du contreplaqué, des panneaux OSB ou des options similaires. En alternative, on peut utiliser un profilé en acier ou en aluminium avec des feuilles analogues. Un boîtier métallique coûtera un peu plus cher.

Les matériaux doivent répondre aux exigences des structures utilisées en extérieur. La durée de vie d'un capteur solaire varie de 20 à 30 ans.

Cela signifie que les matériaux doivent posséder un certain ensemble de caractéristiques opérationnelles qui permettront d'utiliser la structure pendant toute sa durée de vie.

L'option de matériaux la moins chère et la plus simple pour fabriquer le boîtier – utiliser du bois et des panneaux de particules

Si le boîtier est en bois, la durabilité du matériau peut être assurée par imprégnation d'émulsions eau-polymère et revêtement de peinture.

Le principe fondamental à suivre lors de la conception et de l'assemblage d'un capteur solaire est la disponibilité des matériaux en termes de prix et de possibilité d'achat. C'est-à-dire qu'ils peuvent soit être trouvés dans le commerce, soit être fabriqués soi-même à partir de moyens de fortune disponibles.

Nuances de l'isolation thermique

Pour éviter les pertes d'énergie thermique, un matériau isolant est installé au fond du caisson. Il peut s'agir de polystyrène expansé ou de laine minérale. L'industrie moderne propose une gamme très étendue de matériaux isolants.

Pour isoler le caisson, on peut utiliser des isolants recouverts d'aluminium. On assure ainsi à la fois l'isolation thermique et la réflexion des rayons solaires sur la surface aluminisée.

Si l'on utilise une plaque rigide de polystyrène expansé ou de polystyrène extrudé comme matériau isolant, on peut creuser des rainures pour le serpentin ou le système de tubes. En général, l'absorbeur du collecteur est placé sur l'isolation thermique et solidement fixé au fond du boîtier par une méthode qui dépend du matériau utilisé pour la fabrication du boîtier.

L'isolation thermique sert à réduire les pertes d'énergie thermique à travers le fond du boîtier. Il n'est pas rationnel de fabriquer un appareil en métal sans isolation thermique (+)

Absorbeur du capteur solaire

C'est un élément absorbant. Il représente un système de tubes dans lesquels le caloporteur est chauffé, et de pièces, le plus souvent en cuivre en feuille. Le matériau optimal pour la fabrication du récepteur de chaleur est considéré comme les tubes en cuivre.

Les artisans amateurs ont inventé une version moins chère – un échangeur de chaleur spiralé fait de tubes en polypropylène.

Une solution économique intéressante – un absorbeur de système solaire en tube polymère flexible. Pour la connexion aux dispositifs d'entrée et de sortie, des raccords appropriés sont utilisés. Le choix des matériaux courants à partir desquels on peut fabriquer un échangeur de chaleur pour capteur solaire est assez large. Il peut s'agir d'un échangeur de chaleur d'un vieux réfrigérateur, de tuyaux d'eau en polyéthylène, de radiateurs à panneaux en acier, etc.

Un critère important d'efficacité est la conductivité thermique du matériau à partir duquel l'échangeur de chaleur est fabriqué.

Pour une fabrication maison, l'option optimale est le cuivre. Il a une conductivité thermique de 394 W/m². Pour l'aluminium, ce paramètre varie de 202 à 236 W/m².

Les tubes en cuivre sont considérés comme l'option la plus optimale pour fabriquer l'absorbeur en termes de qualités thermiques et de résistance à l'usure

Cependant, la grande différence des paramètres de conductivité thermique entre les tubes en cuivre et les tubes en polypropylène ne signifie pas du tout que l'échangeur de chaleur en tubes de cuivre fournira des volumes d'eau chaude des centaines de fois plus importants.

Toutes choses étant égales, la performance d'un échangeur thermique en tubes de cuivre est 20 % plus efficace que celle des versions métal-plastique. Ainsi, les échangeurs thermiques fabriqués à partir de tubes polymères ont leur place. De plus, ces options coûtent beaucoup moins cher.

Quel que soit le matériau des tubes, toutes les connexions, qu'elles soient soudées ou filetées, doivent être étanches. Les tubes peuvent être disposés parallèlement les uns aux autres ou en forme de serpentin.

Le schéma en serpentin réduit le nombre de connexions – cela diminue le risque de fuites et assure un mouvement plus uniforme du flux de caloporteur.

Le dessus du boîtier contenant l'échangeur thermique est fermé par du verre. En alternative, on peut utiliser des matériaux modernes, comme un équivalent acrylique ou du polycarbonate monolithique. Le matériau transparent peut ne pas être lisse, mais nervuré ou mat.

Dans la version classique, le boîtier du capteur est fermé par du verre trempé, du plexiglas, du polycarbonate ou un matériau similaire. Les artisans amateurs ont pris l'habitude d'utiliser du polyéthylène à la place du verre.

Un tel traitement réduit les capacités de réflexion du matériau. De plus, ce matériau doit supporter des charges mécaniques importantes.

Dans les modèles industriels de tels systèmes solaires, on utilise un verre solaire spécial. Ce verre se caractérise par une faible teneur en fer, ce qui entraîne des pertes d'énergie thermique moindres.

Réservoir de stockage ou pré-chambre

Comme réservoir de stockage, on peut utiliser n'importe quel récipient d'un volume de 20 à 40 litres. Une série de réservoirs de volume légèrement inférieur reliés par des tubes en chaîne séquentielle conviendrait également. Il est recommandé d'isoler le réservoir de stockage, car l'eau chauffée par le soleil dans un récipient non isolé perdra rapidement de l'énergie thermique.

En substance, le caloporteur dans un système solaire de chauffage doit circuler sans accumulation, car l'énergie thermique qu'il reçoit doit être consommée pendant la période de collecte. Le réservoir de stockage remplit plutôt la fonction de distributeur d'eau chauffée et d'avant-chambre, maintenant la stabilité de la pression dans le système.

Le réservoir de stockage dans les systèmes solaires fonctionne comme un distributeur d'eau et un réservoir maintenant la pression (+)

Étapes de montage du système solaire

Après la fabrication du capteur et la préparation de tous les éléments structurels constitutifs du système, on peut procéder à l'installation proprement dite.

L'une des options de construction d'un serpentin à partir de tuyaux en polypropylène avec raccords et tés vous aidera à assembler rapidement un collecteur solaire (+)

Le travail commence par l'installation d'une chambre de décantation, qui est généralement placée au point le plus élevé possible : dans le grenier, sur une tour isolée, un viaduc, etc.

Lors du montage, il faut tenir compte du fait qu'après le remplissage du système avec un caloporteur liquide, cette partie de la structure aura un poids considérable. Il faut donc vérifier la fiabilité du plancher ou le renforcer.

Après l'installation du réservoir, on procède à l'installation du collecteur. Cet élément structurel du système est placé côté sud. L'angle d'inclinaison par rapport à l'horizon doit être compris entre 35 et 45 degrés.

Après l'installation de tous les éléments, on les relie par des tuyaux pour former un système hydraulique unique. L'étanchéité du système hydraulique est un critère important dont dépend le fonctionnement efficace du collecteur solaire.

Selon le schéma d'assemblage du système solaire pour l'alimentation en eau d'une douche d'été, on peut construire une structure pour chauffer l'eau d'arrosage ou créer des conditions confortables lors des soirées fraîches (+)

Pour relier les éléments constructifs en un système hydraulique unique, on utilise des tuyaux d'un diamètre d'un pouce et d'un demi-pouce. Le diamètre le plus petit est utilisé pour la partie sous pression du système.

Par partie sous pression du système, on entend l'arrivée d'eau dans la chambre de décantation et la sortie du caloporteur chauffé vers le système de chauffage et d'eau chaude sanitaire. Le reste est monté avec des tuyaux de plus grand diamètre.

Pour éviter les pertes d'énergie thermique, les tuyaux doivent être soigneusement isolés. À cette fin, on peut utiliser du polystyrène, de la laine de basalte ou des versions feuilletées de matériaux isolants modernes. Le réservoir de stockage et la chambre de décantation doivent également être isolés.

L'option la plus simple et la plus accessible pour l'isolation thermique du réservoir de stockage est la construction d'un caisson en contreplaqué ou en planches autour de celui-ci. L'espace entre le caisson et le réservoir doit être rempli d'un matériau isolant. Il peut s'agir de laine de laitier, d'un mélange de paille et d'argile, de sciure de bois sèche, etc.

Le système solaire est installé de manière à ce que les capteurs solaires soient situés du côté le plus ensoleillé de la maison ou du terrain (+)

Test avant mise en service

Après le montage de tous les éléments du système et l'isolation d'une partie des structures, on peut procéder au remplissage du système avec un caloporteur liquide. Le remplissage initial du système doit être effectué par le raccord situé dans la partie inférieure du collecteur.

C'est-à-dire que le remplissage s'effectue de bas en haut. Grâce à ces actions, on peut éviter la formation probable de poches d'air.

L'eau ou un autre caloporteur liquide entre dans la chambre de préchauffage. Le processus de remplissage du système se termine lorsu' l'eau commence à couler du tuyau de drainige de la chambre de préchauffage.

À l'aide d'un clapet à floteur, il est possible de régler le niveau otimal de liuide dans la chambre de préchauffage. Une fois le système remli de caloprteur, celui-ci commence à chaufer dans le capteur.

Le processus d'élévation de la temérature se prduit même par temps nuageux. Le caloprteur chauffé commence à monter vers la partie supérieure du réservoir de stockage. Le processus de circulation naturelle se poursuit jusqu'à ce que la temérature du caloprteur ntrant dans le radiateur soit égle à celle du caloprteur sortant du capteur.

Lorsque l'eau est consommée dans le système hydraulique, le clapet à flotter situé dans la chambre de préchauffage s'actionne. Ans, un niveau constant est maintenu. L'eau froid entrant dans le système se trouve lors dans la partie inférieure du réservoir de stockage. Le mélange de l'eau froide et de l'eau chaufe ne se prduit pratiquement pas.

Dans le système hydraulique, il faut prévoir l'installation d'une vanne d'arrêt qui empêchera la circulation inverse du caloprteur du capteur vers le réservoir de stockage. Cela se prduit lorsque la temérature ambiante descnd en dessous de la temérature du caloprteur.

Cette vanne d'arrêt est généralement utilisée pendant la nuit et en soirée.

L'alimentation vers les points de consommation d'eau chaufe se fait à l'aide de mitigeurs standard. Il est préférable de ne pas utiliser de robinets simples ordinaires. Par temps ensoleillé, la temérature de l'eau peut atteindre 80°C – il n'est pas pratique d'utiliser une telle eau directment. Ainsi, les mitigeurs permettent d'économiser considérablement l'eau chaufe.

Les performances d'un tel chaufe-eau solaire peuvent être améliorées en ajoutant des sections supplémentaires de capteurs. La conception permet d'en installer de deux à un nombre illimité.

Les performances du système solaire sont augmentées en installant un plus grand nombre de capteurs solaires

Le fonctionnement de ce capteur solire pour le chauffage et la prduction d'eau chaufe sanitaire repose sur le principe de l'effet de serre et ce qu on apelle l'effet thermosipon. L'effet de serre est utilisé dans la conception de l'élément chauffant.

Les raons du soleil traversent sans obste le matéiau transarent de la partie supérieure du capteur et sont convertis en énergie thermique.

L'énergie thermique se trouve dans un espace clos grâce à l'étanéité du caisson de la section du capteur. L'effet thermosiphon est utilisé dans le système hydraulique lorsue le caloprteur chaufe monte, en déplaçant le calopteur fred et en le forçant à se déplacer vers la zone de chauffage.

Grâce à l'effet de thermosiphon, une circulation naturelle stable et continue du fluide caloporteur se produit dans le système.

Performance du capteur solaire

Le critère principal qui influence la performance des systèmes solaires thermiques est l'intensité du rayonnement solaire. La quantité de rayonnement solaire potentiellement utile tombant sur un territoire donné est appelée ensoleillement.

La valeur de l'ensoleillement varie considérablement selon les points du globe. Il existe des tableaux spéciaux pour déterminer les valeurs moyennes de cette grandeur. Ceux-ci affichent la valeur moyenne de l'ensoleillement solaire pour une région donnée.

Les données sur l'ensoleillement solaire dans une région donnée peuvent être obtenues à partir de cartes et de tableaux spéciaux (+)

Outre la valeur de l'ensoleillement, la surface et le matériau de l'échangeur de chaleur influencent la performance du système. Un autre facteur affectant la performance du système est le volume du réservoir de stockage. La capacité optimale du réservoir est calculée en fonction de la surface des absorbeurs du capteur.

Dans le cas d'un capteur plan, il s'agit de la surface totale des tubes qui se trouvent dans le boîtier du capteur. Cette valeur, en moyenne, équivaut à 75 litres de volume de réservoir par m² de surface de tubes du capteur. La capacité de stockage est une sorte d'accumulateur thermique.

Prix des appareils d'usine

La majeure partie des coûts financiers de construction d'un tel système incombe à la fabrication des capteurs. Ce n'est pas surprenant, même dans les modèles industriels de systèmes solaires thermiques, environ 60 % du coût est attribué à cet élément structurel. Les dépenses financières dépendront du choix du matériau.

Il convient de noter qu'un tel système n'est pas en mesure de chauffer une pièce ; il permet seulement d'économiser sur les coûts en aidant à chauffer l'eau dans le système de chauffage. Compte tenu des dépenses énergétiques asse élevées consacrées au chauffage de l'eau, un capteur solaire intégrré au système de chauffage réduit considérablement ces coûts.

Le capteur solaire s'intègre assez simplement dans le système de chauffage et d'eau chaude sanitaire (+)

Sa fabrication utilise des matériaux assez simples et accessibles. De plus, une telle construction est totalement autonome en énergie et ne nécessite aucun entretien technique. L'entretien du système se limite à une inspection périodique et au nettoyage du verre du capteur des salissures.

Des informations supplémentaires sur l'organisation du chauffage solaire dans la maison sont présentées dans cet article.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Processus de fabrication d'un capteur solaire élémentaire :

Commment assembler et metre en service un systéme solaire thermique :

Naturellement, un capteur solaire fabriqué par vos soins ne pourra pas rivaliser avec les modèles industriels. En utilisant des matériaux de récupération, il est assez difficile d'atteindre le rendement élevé des modèles commerciaux. Mais les coûts financiers seront bien inférieurs à l'achat d'installations prêtes à l'emploi.

Néanmoins, un système solaire de chauffage fait maison augmentera considérablement le niveau de confort et réduira les dépenses énergétiques produites par les sources traditionnelles.

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