Les capteurs solaires sont utilisés dans un nombre croissant de foyers allemands. Ils absorbent l'énergie solaire et la transforment en chaleur. Qu'il soit utilisé pour produire de l'eau chaude ou pour soutenir le chauffage, les domaines d'application sont diversifiés et constituent un pas vers un mode de vie durable.
Les capteurs solaires (solaire thermique) et les cellules solaires (photovoltaïque) peuvent stocker l'énergie du soleil et la convertir en chaleur (solaire thermique) ou en électricité (photovoltaïque). C'est une grande réussite, car l'étoile au centre du système solaire est une énorme source d'énergie: chaque jour, environ 1,8 x 1014 kilowatts frappent la terre. Nous, les humains, n'avons même pas besoin de beaucoup d'énergie - une production d'énergie de 1 010 kilowatts couvre déjà les besoins mondiaux et nous obtenons environ 10 000 fois plus d'énergie chaque jour.
Bien que l'utilisation de l'énergie solaire ait commencé dans l'Antiquité et que le précurseur des capteurs solaires d'aujourd'hui ait été inventé au XIXe siècle, l'utilisation réelle de la technologie solaire thermique en Europe n'a commencé que pendant la crise du pétrole en 1973. À cette époque, des alternatives au mazout ont été recherchées, donc seulement quelques années puis les premiers panneaux solaires sont arrivés sur le marché. La plupart d'entre eux étaient trop chers et techniquement peu fiables.
Mais beaucoup de choses se sont passées au cours des 45 dernières années. Des capteurs solaires peuvent maintenant être trouvés sur de nombreux toits de maisons, et ils sont un bon moyen de générer de la chaleur supplémentaire.
Grâce à leur apparence discrète, les capteurs solaires conviennent désormais à toute solution architecturale. L'intégration au toit a fait ses preuves depuis de nombreuses années et offre une protection contre le vent et les intempéries.
Structure et fonction du capteur solaire
Un système solaire thermique est nécessaire pour utiliser l'énergie du soleil pour chauffer l'eau ou pour le chauffage. Mais attention: un deuxième générateur de chaleur est toujours nécessaire, car l'énergie générée par le système solaire thermique n'est pas suffisante, surtout en hiver. Cher mais la seule alternative: vous économisez la chaleur du soleil avec d'énormes réservoirs en hiver.
Le cœur d'un système solaire est le capteur. À l'intérieur, il y a un absorbeur qui capte le rayonnement solaire et se réchauffe dans le processus. Cela crée de la chaleur, qui à son tour est transférée à un fluide caloporteur. Le fluide caloporteur est un liquide (liquide solaire), généralement constitué d'eau et de propylène glycol. Le but principal du propylène glycol est d'empêcher l'eau de geler en hiver et de devenir trop chaude en été. Le liquide chauffé est pompé à travers les tuyaux à travers l'absorbeur puis dans le réservoir de stockage solaire. La plupart du temps, l'absorbeur est isolé sur le côté et en dessous pour éviter les pertes de chaleur.
Types de panneaux solaires
En fonction de l'espace d'installation et du budget, vous pouvez choisir entre deux modèles de base: le collecteur plat et le collecteur tubulaire.
Collecteur plat
- absorbeur
Le collecteur plat est utilisé très fréquemment. Il contient un absorbeur plat et continu, par exemple en métal noirci, au dos duquel sont fixées les conduites d'eau pour qu'elles conduisent la chaleur. Le nombre de rayons solaires absorbés par l'absorbeur dépend du matériau, de la forme, de la disposition des tubes et du revêtement. Les panneaux absorbent le mieux les rayons du soleil lorsque le matériau est aussi noir, fin et conducteur thermique que possible.
- Milieu de transfert de chaleur
L'eau en circulation est enrichie d'agents antigel tels que le propylène ou l'éthylène glycol afin que les températures de congélation n'éclatent pas les tuyaux. Cependant, les additifs doivent être neutres pour l'environnement.
- Boîtier de capteur
L'absorbeur repose dans une boîte hermétiquement fermée qui éloigne l'humidité et la poussière. Le boîtier doit être en matériau résistant à la corrosion.
- Couche isolante
Le boîtier est revêtu d'un matériau léger mais résistant. Il doit avoir une valeur U faible et résister aux températures élevées dans le capteur. Les panneaux de mousse dure associés aux tapis en laine minérale, mais aussi en laine de mouton et de roche sont répandus. Attention aux ingrédients dégazants: ils forment un précipité à l'intérieur du vitrage et réduisent l'incidence de la lumière.
- Le couvercle en verre
Le coffret collecteur est recouvert d'une plaque de verre. Le soi-disant degré de transmission est important pour le choix du verre. Il indique la quantité de rayonnement lumineux que le verre laisse passer. Le verre doit atteindre une valeur de 0,9. Pour cela, du verre trempé est utilisé. Il est généralement structuré de manière à ne pas éblouir. Depuis plusieurs années, il existe des verres antireflets qui ont une perméabilité plus élevée que les verres structurés. Cependant, ils coûtent un peu plus cher.
Collecteur de tube à vide
Les collecteurs à tubes à vide sont constitués d'un grand nombre de tubes à vide entourés de réflecteurs métalliques. La lumière du soleil est ainsi réfléchie par les réflecteurs dans le tube. Ceux-ci contiennent un absorbant sombre. Parce que les tubes sont évacués, la perte de chaleur est minimisée. De plus, des températures plus élevées se produisent sur une zone plus petite. Le collecteur fonctionne efficacement même en plein soleil. Les capteurs tubulaires, par exemple, génèrent autant d'eau chaude sur 3,5 mètres carrés que les capteurs plats sur une surface de cinq mètres carrés. En été, cela suffit presque complètement pour chauffer l'eau d'une famille de quatre personnes. Sur un an, 60% des besoins en eau chaude de la famille sont satisfaits. Inconvénient: le tube collecteur coûte deux fois plus cher qu'un collecteur plat.
En ce qui concerne les collecteurs à tubes, il convient de noter qu'il existe deux types différents que nous présenterons ci-dessous:
- Principe du caloduc
Chaque tube fermé forme un circuit fermé. Les rayons du soleil qui frappent l'absorbeur dans le tube provoquent l'évaporation d'un liquide spécial. En haut du tube, la vapeur se refroidit sur un bloc échangeur de chaleur. La vapeur se liquéfie à nouveau. Le liquide contenu dans le tube redescend - l'évaporation recommence. La chaleur dégagée au cours du processus chauffe le fluide de circulation qui passe au-delà de l'échangeur de chaleur. Le système de caloduc nécessite un angle d'inclinaison minimum d'environ 30% pour que le circuit fonctionne.
- Tubes à flux direct
Avec ce système, le soleil chauffe directement le fluide caloporteur dans le tube absorbeur au milieu du tube. Le fluide caloporteur traverse plusieurs tubes. Un grand avantage de ce système est que les tubes peuvent être montés verticalement et horizontalement.
Les capteurs à tube sous vide offrent des rendements énergétiques optimaux même avec un faible rayonnement solaire et pendant la saison froide.
De quelles conditions dépend le rendement?
Le rendement annuel d'un capteur solaire dépend de plusieurs facteurs:
- Les conditions climatiques: Il peut y avoir des différences considérables entre les différents sites en Allemagne. Il existe des emplacements avec plus de 1 000 kilowattheures par mètre carré par an et des emplacements avec moins de 900 kilowattheures par mètre carré par an.
- L'orientation: le mieux est une orientation vers le sud et un angle d'inclinaison d'environ 45 degrés.
- Ombres d'autres bâtiments ou arbres.
- Pollution: La pluie et la neige enlèvent généralement une grande partie de la saleté. Il est préférable d'utiliser des détergents doux et une brosse douce contre les taches tenaces. Évitez d'utiliser des nettoyeurs haute pression.
La taille des collecteurs pour chauffer l'eau
Quiconque utilise des capteurs à plaques plates a besoin de 1,5 mètre carré de surface de capteur par personne dans le ménage pour chauffer l'eau. Pour des capteurs tubulaires plus puissants, 1 mètre carré par tête est suffisant. Règle de base pour la taille du réservoir de stockage d'eau: Calculez 40 litres d'eau chaude à 45 degrés Celsius par personne et par jour. Un ménage de 4 personnes peut se débrouiller avec 6 mètres carrés de capteurs plats ou 4 mètres carrés de capteurs tubulaires et un réservoir de stockage de 300 litres. Coût: environ 3500 euros.
Chauffage avec chaleur solaire
Afin d'utiliser la chaleur solaire pour le chauffage des locaux, calculez 3 à 4 mètres carrés de surface de capteurs par personne dans des maisons bien isolées. Le réservoir de stockage doit contenir environ 60 litres par mètre carré de surface de capteur, un peu plus grand pour les capteurs à tube. Coût: à partir d'environ 6000 euros. Dans une maison bien isolée, le système de chauffage solaire peut fournir jusqu'à 25% de l'énergie pour le chauffage et l'eau chaude.
Effet de la neige
Une fois que les panneaux solaires sont recouverts de neige, ils ne produisent généralement plus de rendement. Souvent, cependant, il n'y a pas de rendement ces jours-là, car le rayonnement solaire est généralement trop faible.
Avec les collecteurs à tubes, cependant, un bon rendement est toujours possible par temps clair et froid, il est donc judicieux d'enlever la neige.
Si le capteur solaire est recouvert de neige, il n'absorbe généralement pas la lumière du soleil et ne peut donc pas stocker d'énergie sous forme de chaleur.
L'efficacité des capteurs solaires et des cellules solaires en comparaison
Quoi de plus - des capteurs solaires ou des cellules solaires? L'expérience a montré que les capteurs solaires sont nettement plus efficaces que les modules photovoltaïques. Les capteurs solaires atteignent des rendements d'environ 90%, avec des pertes de chaleur d'un peu moins de 50%. Cependant, c'est toujours mieux que le rendement d'un système photovoltaïque avec un rendement de seulement 20%. La raison en est que la lumière du soleil couvre un large spectre. Tout type de rayonnement peut être converti en chaleur. Cependant, les systèmes photovoltaïques ne peuvent convertir qu'une petite partie du rayonnement en électricité.