Les panneaux solaires pour la production d'eau chaude !

L'installation de panneaux solaires thermiques se démocratise puisque cette solution fait partie des solutions d'énergies renouvelables possibles

qui répondent aux éxigences de la RT 2020.

 Malgré l' investissement, c'est une solution rentable surtout quand on connaît le poids important de la production d'eau chaude sanitaire dans

les maisons thermiquement performantes. De nombreuses configurations sont possibles et si l'orientation et l'inclinaison des panneaux est moins

contraignantes que celles des panneaux solaires photovoltaïques, il n'en demeure pas moins que c'est là un point de vigilance très important.

Les panneaux solaires tubulaires

Les panneaux solaires plan intégré

Les panneaux solaires thermiques, ou capteurs solaires thermiques ou chauffe-eau solaire individuel (CESI), à ne pas confondre avec les panneaux solaires photovoltaïques sont des
éléments qui permettent de chauffer de l'eau grâce à l'énergie solaire. S'ils sont le plus couramment destinés à produire de l'eau chaude sanitaire, ils peuvent également produire du chauffage, on les appelle alors des systèmes combinés.


Principe d'un panneau solaire thermique
L'objectif est d'abord de capter la chaleur du soleil via 3 phénomènes physiques:

-Effet de corps noir : la couleur noire absorbe la chaleur du soleil, c'est pour cette raison de que les  panneaux sont noirs.

-Ensuite, la chaleur captée va chauffer un fluide caloporteur, souvent de l'eau (éventuellement additionnée d'eau glycolée), contenu dans un capteur.

-Ce fluide va ensuite transmettre l'énergie ainsi récupérée à l'eau chaude sanitaire, par le biais d'un échangeur situé dans un ballon d'eau chaude, équipé dans la plupart du temps d'un appoint (électrique ou chaudière).


Différents types d'utilisation
Eau Chaude Solaire
L'eau chaude solaire est sans conteste l'utilisation la plus fréquente des panneaux solaires thermiques. Le taux de couverture doit être suffisamment bien calculé pour produire suffisamment
d'énergie pour que cela soit rentable sans que cela ne pose trop de problème de surchauffe l'été.
Chauffage solaire
Le chauffage solaire (souvent couplé avec de l'eau chaude sanitaire solaire) nécessite une surface de panneaux plus conséquente et donc un investissement beaucoup plus élevé que de l'ECS solaire seule. De plus, alors que le chauffage est le plus utilisé lorsque les apports solaires sont les plus faibles ce qui diminue la rentabilité qui demeure tout de même présente, notamment pour des bâtiments avec des besoins en chauffage spécifique.


Les configurations les plus courantes
Circulation à l'aide d'une pompe
Dans la plupart des systèmes, c'est un circulateur qui fait... circuler le fluide caloporteur (celui qui passe dans le panneau solaire). La circulation du fluide est importante pour ne pas que l'eau
soit portée à trop haute température où elle aurait des risques de bouillir et donc d'endommager l'installation (par la dilatation de la vapeur). Le circulateur doit être équipé d'une régulation
intelligente sous peine de refroidir le ballon en ne laissant pas l'eau suffisamment chauffer dans le capteur.
Thermosiphon
Certains systèmes ne sont pas équipés de pompe. L'eau chaude étant plus légère que l'eau froide,une circulation naturelle peut s'effectuer. Cela ne fonctionne que si le ballon de stockage est plus haut que les panneaux solaires, ce qui n'est pas toujours évident à mettre en place, sauf sur des systèmes monoblocs ou des installations de chauffage solaire (intérieur ou piscine). Un clapet anti-retour doit être mis en place pour éviter que le système ne s'inverse (cas de l'eau du ballon plus chaude que les panneaux solaires).


Les différentes technologies
Capteur plan vitré
Les capteurs plans vitrés sont de loin les systèmes les plus courants lorsqu'il s'agit d'eau chaude sanitaire. La vitre permet de créer un "effet de serre" qui piège les rayons du soleil à l'intérieur du capteur afin d'optimiser les apports. Les rendements et le prix sont moyens. Les capteurs plans vitrés peuvent capter en moyenne 350kwh annuel par m². A la différence d'un panneau solairephotovoltaïque, un panneau solaire thermique est plus "mat" et est uni.
Capteur tubulaire
Les capteurs tubulaires constituent la technologie avancée des panneaux solaires thermiques, ils sont aussi plus onéreux. Grâce à un système de double peau et de vide, les apports solaires et les échanges sont optimisés d'où des rendements plus importants. Les capteurs tubulaires peuvent capter en moyenne 500kwh annuel par m². Ces panneaux sont également moins sensibles aux ombrages que les capteurs plans et fonctionnent mieux par rayonnement diffus. Leur implantation est également facilitée grâce à des ailettes inclinables et orientables à la demande. On peut par exemple les utiliser en position verticale comme garde corps sur un balcon tout en conservant des performances satisfaisantes. Plusieurs configurations sont possibles, notamment avec des systèmes à plusieurs fluides caloporteurs. Si les rendements sont très intéressants, les risques de surchauffe sont également plus importants et l'application pour une résidence peut ainsi, selon la région, ne pas être judicieuse.
Système à éléments séparés classiques
Dans un système à éléments séparés, le ballon de stockage est situé à l'intérieur du bâtiment. Cela permet notamment de limiter les pertes par stockage. Cela diminue les contraintes architecturales supplémentaires de l'installation d'un ballon sur le toit. Risques de gel et de surchauffe.
Système à éléments séparés - auto-vidangeables
Certains systèmes, auto-vidangeables, permettent de supprimer les risques de gel et de surchauffe. En effet, dans ces cas précis à éviter, le circulateur s'arrête et les panneaux se vident (se vidangent) dans un réservoir prévu à cet effet. Comme il n'y a plus d'eau dans les panneaux, il n'y a plus de risque de gel ou de surchauffe. La configuration s'avère toutefois légèrement plus complexe que la précédente (il faut être sûr que le ballon se vidange correctement).
Le dimensionnement et l'implantation


Les apports solaires
Les apports solaires dépendent bien entendu de la région où l'on se trouve... L'énergie reçue est comprise entre 1100kWh et 1700kWh par m² et par an, pour une irradiation horizontale. En moyenne un panneau solaire thermique produira entre 300 et 500kWh/(m².an) (source ADEME).
Orientation et Inclinaison
Le gisement solaire influe donc sur la production d'énergie d'origine solaire, mais l'inclinaison et l'orientation joue également un rôle majeur. L'idéal étant des panneaux solaires orientés aux
alentours de 40 à 45° (selon les régions là encore) avec une orientation la plus proche du Sud, la production restant correcte entre le Sud-Est et le Sud-Ouest. A noter qu'au-delà de 20°,
le capteur en plus d'être moins efficace risque de s'encrasser. Le diagramme suivant montre l'influence de l'orientation et de l'inclinaison du panneau.
Rendement d'une installation solaire
Le rendement des panneaux solaires est le rapport entre l'énergie reçue. Pour avoir le meilleur rendement, il faut donc limiter les pertes  par réflexion qui dépendent surtout de l'orientation. La majorité des autres pertes sont thermiques et sont dues au rayonnement du panneau lui-même vers l'extérieur, pour les limiter le panneau doit être bien isolé. Mais le rendement dépend également des conditions de température à la fois extérieur et du fluide. Si l'on raisonne sur le rendement global d'une installation solaire, il
faut également prendre en compte les pertes par stockage, l'énergie des pompes, etc. Dernier facteur, le taux de couverture des besoins. Des panneaux surdimensionnés auront un rendement faible du fait des pertes thermiques plus importantes et d'une température plus élevée. En général, le rendement global d'une installation solaire bien dimensionnée se situe aux alentours de 30 à 40%.
Taux de couverture des besoins
Le taux de couverture des besoins varie selon tous les critères que nous venons de voir à savoirles apports solaires, l'orientation et l'inclinaison. Mais il dépend aussi des éventuelles ombres,
des besoins des occupants, des modèles de panneaux solaires ou encore du ballon de stockage. Concrètement, la surface des capteurs solaires correspond en moyenne à 1 à 1,5m² par personne pour un taux de couverture qui se situe entre 50 et 70%.
Les risques de masques solaires
Un masque solaire est ce qui empêche le rayonnement solaire direct d'atteindre le panneau solaire (qu'il soit thermique ou photovoltaïque), en clair ce sont des éléments qui font de l'ombre. La présence d'ombres sur un panneau solaire thermique est toutefois moins gênante que dans le cas d'un panneau solaire photovoltaïque, où la production chute à 0%, même si uniquement une partie de l'installation est à l'ombre. En prenant le temps de la réflexion, il est plutôt facile de déterminer les éventuels masques solaires présents ou futurs. Il suffit de regarder régulièrement son toit, à différentes saisons et à différents moments de la journée, la taille des ombres est en effet beaucoup plus importante en hiver. Un outil gratuit, Google Sketchup permet facilement de modéliser des objets 3D comme votre maison et de simuler les ombres et donc identifier les menaces notamment des immeubles ou des arbres selon les époques de l'année.


Les éléments du toit
En premier lieu, on peut citer les cheminées, les chiens-assis ou encore les antennes. Placées directement sur le toit, elles peuvent engendrer un ombrage conséquent sur votre installation
comme le montre l'illustration. La surface des panneaux thermiques étant généralement réduite (2 à 4m²), il existe souvent une configuration qui permettra d'éviter les ombres sur les capteurs mais c'est un point important de vigilance.
Les arbres
Les arbres constituent une menace d'ombrage bien réelle et parfois difficile à identifier car un arbre... ça pousse! En effet, petit arbre deviendra grand et pourra poser problème dans 2, 5
ou 10 ans. Quand l'arbre est sur sa propriété pas de soucis, mais si c'est celui du voisin ou de la mairie, cela peut rapidement devenir compliquer. En sachant que les voisins d'aujourd'hui ne
sont pas ceux de demain à qui il faudra gentiment demander de couper leur bel arbre...
L'environnement urbain
Les immeubles (ou maison à étage) à proximité voire le mobilier urbain (poteau électrique par exemple) peuvent eux-aussi constituer une menace pour la performance des capteurs. Une
observation rigoureuse ainsi qu'une modélisation permettront d'écarter tout danger.
Les risques de gel
Généralement l'eau qui est chauffée par les capteurs contient généralement un additif, le glycol, qui sert d'antigel (aussi utiliser en géothermie ou dans les voitures par exemple). Les systèmes auto-vidangeables permettent également d'éviter les risques de gel.
Les risques de surchauffe
Si l'on veut qu'un panneau solaire chauffe, on ne veut pas qu'il surchauffe sans quoi la température de l'eau pourrait monter à plus de 200°C et provoquer des dommages à l'installation. De plus, plus un capteur est chaud, moins il est performant (augmentation des pertes thermiques). Voyons
comme éviter la surchauffe d'un capteur solaire.
Le dimensionnement
Le dimensionnement est très important puisque le risque de surchauffe intervient quand il fait chaud et que les besoins en eau chaude ne sont pas suffisant, comme pendant les vacances estivales par exemple avec une absence prolongée. Une trop grande surface de capteurs engendrera donc un
risque accru de surchauffe (alors que le taux de couverture des besoins sera lui plus important).
Le refroidissement nocturne
Certaines régulations intelligentes font tourner la pompe la nuit ce qui va refroidir l'eau du capteur suffisamment pour qu'elle ne monte pas trop haut en température la journée.
La décharge des capteurs A l'aide d'un échangeur, placé à l'extérieur, dans le sol ou la terre (voire dans l'eau), le capteur
va dissiper son trop plein énergie et ainsi éliminer les risques de surchauffe. Toutefois, cela engendre un surcoût du fait d'une partie d'installation supplémentaire.


La cogénération ou la climatisation solaire
La cogénération et la climatisation solaire ont pour seul objectif de valoriser le surplus d'énergie thermique produit par le panneau solaire pour la transformer soit en énergie électrique soit en froid.Cela évite d'emblée tous risques de surchauffe. Cependant, la cogénération est plutôt adaptée, au regard de son prix, pour les productions complètement autonomes (sites isolés). La climatisation solaire est dépendante des recherches qui permettront d'adapter de manière plus efficace les systèmes industriels (grosses puissances) à l'échelle de logements.
Ne rien faire
Certains ne se préoccupe pas vraiment des surchauffes et dirons que tout va bien. En effet, les installations sont prévues pour pallier aux surchauffes. Ainsi, la pression du fluide (eau+glycol)
va monter jusqu'à la valeur limite (plus ou moins rapidement selon la présence et la taille d'un vase d'expansion) du système (de 3 à 6 bars). A cette pression, les soupapes de sécurité vont "cracher" et faire diminuer la pression du fluide. Cependant, cette "technique ou plutôt cette absence de technique est dangereuse car si le fluide parvient à bouillir, l'encrassement des panneaux solaires est assuré et le glycol rend la chose vraiment problématique. De plus, toute l'installation subit des stress répétés et donc un vieillissement accéléré.