L’Eau Chaude Solaire est une Énergie Thermique Issues du Soleil
Il existe deux façons de convertir l’énergie solaire gratuite que nous recevons chaque jour. La première est l’eau chaude solaire (énergie thermique solaire), et la seconde est l’électricité solaire (énergie électrique), toutes deux pouvant être utilisées dans nos foyers.
Nous pouvons utiliser l’énergie lumineuse des photons du soleil que nous recevons pendant la journée pour générer de l’électricité à l’aide de panneaux photovoltaïques et de systèmes, ou nous pouvons exploiter la chaleur thermique du soleil en utilisant des collecteurs solaires pour produire de l’eau chaude solaire, chauffage de piscine solaire, chauffage de l’espace et refroidissement solaire, etc.
Il est important de comprendre que L’Eau Chaude Solaire n’est pas la même chose que l’énergie solaire ou l’énergie photovoltaïque, car les photovoltaïques convertissent la lumière du soleil directement en électricité. Cependant, l’énergie thermique solaire peut être utilisée pour concentrer les rayons du soleil, créant ainsi de la chaleur, qui est ensuite utilisée pour produire de la vapeur, ce qui entraîne un générateur pour produire de l’électricité.
La quantité d’énergie électrique et de gaz utilisée aujourd’hui pour chauffer l’eau domestique et pour le chauffage des espaces dans nos maisons et bureaux est énorme. Le terme « systèmes d’énergie thermique solaire » désigne les technologies et dispositifs de chauffage thermique solaire et d’eau chaude solaire qui utilisent l’énergie du soleil pour fournir de l’eau chaude et pour chauffer nos maisons, bureaux, usines et autres applications similaires en utilisant l’énergie solaire renouvelable.
Les systèmes d’énergie thermique solaire intègrent généralement un collecteur d’énergie solaire monté sur le toit, communément appelé « collecteur thermique solaire », qui reçoit la lumière du soleil et la transforme en chaleur utilisable, produisant un chauffage et de l’eau chaude sans pollution, réduisant ainsi la demande en électricité et en gaz naturel ainsi que d’autres combustibles pour le chauffage, et bien sûr, les factures.
Les systèmes de chauffage de l’eau solaire peuvent être caractérisés comme directs ou indirects, en fonction de la manière dont l’eau domestique est chauffée directement dans le collecteur solaire ou via un échangeur de chaleur séparé.
Ensuite, l’énergie thermique solaire fait référence à une technologie qui utilise l’énergie du soleil pour chauffer de l’eau ou d’autres types de fluides de transfert de chaleur pour diverses applications résidentielles, industrielles et autres, le chauffage de piscines, le chauffage de l’eau chaude et le chauffage des espaces étant actuellement les principales applications de l’énergie thermique solaire.
La quantité de rayonnement solaire que le monde reçoit est suffisamment significative pour que les technologies thermiques solaires soient une partie intégrante d’un avenir énergétique propre, peu importe l’emplacement. Les systèmes thermiques solaires se composent de trois éléments principaux : un collecteur solaire, des tuyaux de transport de chaleur isolés, et une forme de stockage de chaleur telle qu’un réservoir d’eau chaude. Les systèmes d’énergie thermique solaire actifs utilisent également des pompes et/ou des ventilateurs pour distribuer la chaleur, des minuteries électroniques, des contrôles et des thermostats, et dans les climats plus froids, des antigels et d’autres produits chimiques pour la protection.
Types de Collecteurs Thermiques Solaires
Les collecteurs thermiques solaires sont le cœur de tout système d’énergie thermique solaire, produisant la quantité nécessaire d’énergie solaire pour chauffer l’eau. Les collecteurs thermiques solaires diffèrent des panneaux photovoltaïques (PV), qui ne produisent que de l’électricité solaire. Un collecteur solaire peut être aussi simple qu’un tube droit ou enroulé en plastique ou en cuivre.
Même un ancien morceau de tuyau de jardin placé en plein soleil peut être utilisé pour préchauffer l’eau qui y coule avant d’entrer dans un chauffe-eau électrique standard. Bien que cet agencement fonctionne, il a ses limites en termes d’efficacité et de praticité, surtout la nuit ou pendant les mois d’hiver froids.
La quantité de chaleur solaire produite par les collecteurs thermiques solaires varie en fonction du design du collecteur, de la surface des tubes collecteurs ainsi que des conditions climatiques et du site local. Plusieurs types de collecteurs thermiques solaires commerciaux sont disponibles, tels que : Collecteurs à Plaques Plates, Tubes Évac-ués, Stockage du Collecteur Intégral (ICS), Thermosiphon et Panneaux Solaires Concentrateurs (CSP). Tous font le même travail, produisent « de l’eau chaude solaire », chaque type ayant ses propres applications, avantages et inconvénients.
Les collecteurs thermiques solaires capturent la chaleur du soleil pour le chauffage de l’eau chaude et/ou le chauffage de l’espace, généralement installés sur les toits où ils sont exposés au maximum de rayonnement solaire pour une efficacité maximale. La plupart des collecteurs d’eau chaude solaire sont des dispositifs passifs constitués de boîtes, de cadres, de réservoirs ou de tubes fermés qui contiennent les parties de base suivantes :
- Un couvercle ou un tube en verre ou en plastique transparent pour laisser entrer l’énergie solaire.
- Des surfaces peintes en noir à l’intérieur appelées absorbeurs, qui absorbent la chaleur du soleil pour la transmettre à un fluide de transfert de chaleur ou à de l’air.
- Des matériaux isolants pour empêcher la chaleur capturée de s’échapper de nouveau dans l’atmosphère.
- Des tuyaux, conduits ou vannes pour transporter le liquide ou l’air chauffé de l’intérieur du collecteur solaire à l’endroit où il peut être utilisé ou stocké.
Collecteurs à Plaques Plates – Les collecteurs thermiques solaires à plaques plates sont le type de collecteur solaire le plus courant et le plus simple disponible pour le chauffage d’eau chaude pour les maisons à basse à température moyenne. La plupart des collecteurs à plaques plates se composent généralement d’un certain nombre de tuyaux en cuivre individuels ou d’une seule bobine fixée à une plaque sombre absorbante de chaleur scellée dans une grande boîte isolée en bois ou en métal.
La boîte thermique scellée est recouverte d’un couvercle en verre trempé ou en plastique transparent pour permettre à l’énergie rayonnante du soleil d’être absorbée par les tubes en cuivre produisant de l’eau chaude solaire. Les collecteurs solaires à plaques plates sont faciles à construire à partir d’une boîte en bois et de quelques tuyaux en cuivre, ce qui en fait un projet idéal pour les débutants dans le monde de l’énergie thermique solaire.
Collecteurs à Tubes Évac-ués – Les “collecteurs à tubes évacués” se composent de rangées de tubes en verre transparent parallèles. Chaque tube est constitué d’un matériau métallique absorbant la chaleur, généralement du cuivre, et l’ensemble du tube en verre est « évacué » d’air (d’où son nom) et scellé pour former un vide à l’intérieur du tube. Ce vide aide le collecteur à atteindre des températures extrêmement élevées car il agit comme un isolant très efficace autour du matériau absorbant de chaleur central.
Comme l’air est un bon transmetteur de l’énergie thermique, le vide à l’intérieur du tube empêche la chaleur d’être transmise de l’absorbeur à l’extérieur, c’est-à-dire au verre plus froid. L’eau ou l’huile transfère la chaleur absorbée du collecteur solaire à un réservoir de stockage, où elle est utilisée à des fins de chauffage.
En raison de leur efficacité améliorée par rapport aux collecteurs à plaques plates, les collecteurs à tubes évacués sont généralement utilisés lorsque des températures moyennes à élevées ou des volumes plus élevés d’eau chaude solaire sont nécessaires, ainsi que pour le chauffage de procédés et les systèmes de climatisation solar.
Stockage du Collecteur Intégral – Un système de “stockage du collecteur intégral” ou “ICS” combine le collecteur solaire et le réservoir de stockage au sein d’une même unité montée sur le toit. Bien qu’un collecteur de stockage intégral ne puisse pas produire autant de chaleur solaire que les systèmes précédents, il peut fournir une quantité raisonnable d’eau chaude solaire, ou il peut servir d’un préchauffeur économique pour un chauffe-eau électrique ou à gaz conventionnel. Les collecteurs d’énergie thermique solaire ICS sont appelés dispositifs passifs car ils ne nécessitent pas de pompes, de thermostats, de contrôleurs, de capteurs, de câblage ou d’électricité pour produire de l’eau chaude, il suffit de les orienter vers le soleil.
Collecteurs Thermosiphon – Les “collecteurs thermosiphon” sont largement utilisés pour le chauffage d’eau chaude solaire et sont facilement identifiables par leur grand réservoir de stockage situé au-dessus du collecteur solaire. Le collecteur solaire est monté en dessous du réservoir de stockage pour permettre l’action de thermosiphon, qui est le mouvement ascendant de l’eau chaude par convection naturelle. Lorsque le soleil brille sur les collecteurs solaires, l’eau à l’intérieur est chauffée et s’étend.
En s’étendant, elle devient plus légère que l’eau froide qui se trouve au-dessus dans le réservoir de stockage. La gravité tire l’eau froide plus lourde du réservoir vers l’entrée du collecteur. À mesure que l’eau froide quitte le réservoir de stockage, elle pousse l’eau chaude par la sortie du collecteur et dans le haut du réservoir.
Cette action continue de chauffage et de circulation se produit lorsque l’eau chaude, à cause de la convection naturelle, circule à travers les collecteurs, fournissant un réservoir plein d’eau chaude à la fin de la journée. Comme le système ICS précédent, les systèmes thermosiphons sont également des systèmes passifs, ce qui les rend automatiques, simples et fiables.
Cependant, le principal inconvénient d’un système de thermosiphon est qu’il peut changer de direction lors de périodes de froid ou la nuit, ce qui pourrait faire que le collecteur solaire se comporte comme un radiateur dissipant la chaleur dans l’atmosphère. De plus, le poids du réservoir d’eau rempli et des tuyaux sur le toit peut nécessiter un renforcement du toit ou des supports sur lesquels il repose.
Concentrateurs d’Énergie Thermique Solaire
Jusqu’à présent, nous avons discuté des systèmes d’eau chaude thermique solaire à circuit ouvert, où l’eau est chauffée directement par l’énergie du soleil à l’aide de collecteurs solaires montés sur le toit. Cela les rend idéaux pour les foyers qui n’ont pas de place pour un deuxième réservoir d’eau chaude ou un système produisant de l’eau chaude à température moyenne à élevée (50 à 80oC) pour un usage domestique. Mais pour des applications industrielles et commerciales, ces types de systèmes énergétiques thermiques solaires sont trop petits et inefficients.
Pour générer de l’électricité à partir de l’énergie des rayons du soleil, appelée électricité thermique solaire, nous devons utiliser l’énergie thermique solaire pour chauffer l’eau à une température beaucoup plus élevée, produisant de la vapeur qui peut ensuite être utilisée pour entraîner des turbines.
Le rayonnement solaire direct du soleil peut être concentré et collecté à l’aide de réflecteurs, de miroirs, de canaux et de dishes appelés Concentrateurs Solaires, produisant un point focal unique de température extrêmement élevée. La chaleur générée par les technologies d’énergie solaire concentrée ou CSP est ensuite utilisée pour faire fonctionner un générateur électrique conventionnel. La chaleur solaire à haute température collectée pendant la journée peut également être stockée dans des milieux liquides ou solides comme des sels fondus, des céramiques, du béton ou, à l’avenir, des mélanges de sels à changement de phase. La nuit, elle peut être extraite du milieu de stockage pour continuer le fonctionnement de la turbine.
Trous Paraboliques – Un système CSP à “trou parabolique” consiste en un réflecteur en miroir courbé parabolique qui concentre l’énergie du soleil sur un tube récepteur situé au point focal de la courbe parabolique, chauffant un fluide de transfert, généralement à base d’huile en raison des températures élevées impliquées, s’écoulant à travers le tube. Le fluide de transfert génère ensuite de la vapeur surchauffée qui est envoyée à une turbine et à un générateur électrique pour produire de l’électricité. Ces réflecteurs de trous paraboliques sont généralement fixés à un système de suivi solaire qui suit le mouvement du soleil d’Est en Ouest pendant la journée pour que le soleil soit continuellement concentré sur les tuyaux récepteurs pour une efficacité maximale.
Systèmes à Dish Solaire – Un système de “dish solaire” est un autre type de concentrateur solaire. Un collecteur dish solaire se compose de nombreux petits miroirs en verre disposés ensemble sous la forme d’une assiette parabolique. Les miroirs reflètent la lumière du soleil sur une unité de conversion d’énergie située au-dessus du dish au centre focal (similaire à une antenne parabolique).
L’unité de conversion d’énergie inclut un récepteur solaire qui absorbe l’énergie solaire et la transfère au moteur solaire. Le moteur convertit ensuite cette énergie en chaleur. Le récepteur thermique comprend des tubes pour le fluide de transfert, généralement de l’hydrogène ou de l’hélium, qui transfèrent la chaleur à un générateur pour produire de l’électricité. Les systèmes dish/engine solaires utilisent des collecteurs à double axe automatiques pour suivre le soleil.
Towers Solaire – Les “tours solaires” utilisent des milliers de miroirs à suivi solaire appelés héliostats pour concentrer la lumière du soleil sur un récepteur situé au sommet d’une haute tour centrale. La tour solaire génère des températures extrêmement élevées au point focal de l’array de miroirs, chauffant un fluide de transfert tel que du sel fondu de nitrate qui est ensuite utilisé pour générer de la vapeur pour faire fonctionner un générateur-turbine qui est utilisé pour produire de l’électricité. Le sel fondu atteint environ 1 050 degrés Fahrenheit dans le récepteur avant d’être stocké dans un réservoir où il peut conserver sa chaleur efficacement pendant plusieurs heures, voire plusieurs jours avant d’être utilisé pour générer de l’électricité.
Nous avons vu que les deux composants principaux d’un système typique d’Énergie Thermique Solaire qui peut être utilisé pour produire de l’eau chaude solaire sont un réservoir de stockage d’eau et un collecteur thermique solaire qui absorbe la chaleur du soleil. Les deux principaux types de collecteurs thermiques solaires disponibles pour les applications domestiques sont le Collecteur à Plaques Plates et le Collecteur à Tubes Évac-ués, qui peuvent produire largement assez d’eau chaude solaire pour un ménage typique.
Pour les applications industrielles et commerciales, l’énergie thermique solaire est actuellement la technologie solaire la plus rentable à grande échelle. Elle surpasse actuellement d’autres formes de systèmes d’énergie alternative et peut également battre le coût de l’électricité produite à partir de la combustion de combustibles fossiles tels que le gaz naturel. L’Espagne et l’Australie sont actuellement les pays leaders dans la production d’énergie thermique solaire commerciale, l’Espagne produisant déjà une grande partie de son usage électrique via ses tours solaires à énergie thermique et ses installations de dish/engine solaire.
Alors, l’énergie thermique solaire est-elle faite pour vous ? Très probablement, utiliser l’énergie du soleil pour produire de l’eau chaude solaire peut réduire les factures d’eau chaude domestiques de jusqu’à 60 % ou plus chaque année, épargnant ainsi des milliers de dollars américains ou de livres sterling pour le foyer moyen au cours de la durée de vie d’un système d’eau chaude solaire.
Les systèmes d’énergie thermique solaire aident également à préserver nos ressources naturelles et l’environnement en réduisant les émissions de gaz à effet de serre, car moins de combustibles fossiles sont brûlés pour générer de l’électricité juste pour chauffer l’eau. Mais considérez cela : pour chaque dollar, livre sterling ou euro que vous dépensez pour rendre votre maison plus économe en énergie, vous pouvez réduire la taille, le coût et la complexité d’un Système Thermique Solaire installé domestiquement.
Dans le prochain tutoriel sur “l’énergie thermique solaire”, nous examinerons les Collecteurs à Plaques Plates et verrons comment ils transforment la chaleur du soleil en eau chaude.