L'énergie thermique
Solaire passif :
Le chauffage passif (démarche bioclimatique) consiste à adapter un bâtiment, dans le but d'utiliser au mieux les apports calorifiques liés au soleil (architecture, ouvertures, matériaux, orientation...).
Le chauffage passif utilise les éléments structuraux d'une habitation pour capter l'énergie solaire. Ainsi, cette maison est pourvue d'une véranda convenablement orientée. L'hiver, l'énergie solaire chauffe le mur en pierre. La chaleur dégagée par le mur est piégée par le vitrage transparent de la véranda. L'été des stores ou des volets occultent le vitrage.
Solaire actif :
La serre
La méthode la plus simple pour exploiter l'énergie solaire passe par la serre utilisée en agriculture. Dans une serre, le sol de couleur foncée absorbe toutes les radiations du spectre lumineux, ce qui provoque son échauffement. La vitre transparente qui recouvre la serre laisse passer le rayonnement solaire, mais piège le rayonnement calorifique qui se dégage du sol. Ce phénomène, appelé effet de serre, est également mis à profit pour réaliser des habitations solaires munies d'une véranda. Le stockage de cette énergie calorifique se fait alors au moyen de pierres ou de réservoirs d'eau, qui restituent lentement la chaleur.
Les capteurs solaires
Les capteurs plans
Les capteurs plans absorbent le rayonnement solaire au moyen d'une plaque noir: l'absorbeur et munie de fins conduits destinés au fluide caloporteur (eau ou mélange eau - antigel eau glycolée). Lorsqu'il traverse les conduits, sa température augmente en raison du transfert de la chaleur reçue par la plaque absorbante. L'énergie transmise au fluide caloporteur est le rendement instantané du capteur. Comme une serre, les capteurs plans sont munis d'un vitrage transparent, qui piège le rayonnement calorifique s'échappant de la plaque absorbante. Ils peuvent chauffer les fluides caloporteurs à des températures largement supérieures à 60°C, avec un rendement variant entre 40 et 80 %.
Remarque : Les pertes thermiques par convection et conduction sont importantes dans ces capteurs : pour les réduire, ils peuvent être montés sous vide d'air. Ces capteurs, appelés capteurs à tubes évacués sous vide, peuvent fournir de l'eau à des températures supérieures à 80° C.
Les capteurs plans sont surtout utilisés dans la production d'eau chaude sanitaire. Les capteurs fixes à usage domestique sont généralement installés sur le toit des habitations. Dans l'hémisphère Nord, ils sont orientés vers le sud, et dans l'hémisphère Sud, vers le nord. L'efficacité des capteurs dépend de l'angle qu'ils forment avec le plan horizontal. Leur inclinaison optimale varie selon la latitude de l'installation. Le fluide utilisé dans le système de chauffage solaire est l'air ou un liquide (eau ou mélange eau - antigel); le stockage thermique s'effectue généralement dans un accumulateur à pierre ou un réservoir d'eau bien isolée.
D'un peu plus près...
Le rayonnement solaire, symbolisé par les flèches jaune appartenant au domaine des Infrarouge ou rayonnement thermique, ne traverse pas entièrement le vitrage V du capteur car une petite partie (Pr1) est réfléchie par la vitre, surtout si l'angle d'incidence est fort.
Malgré l'excellente transparence du verre, une petite partie (Pv1) de l'énergie reçue sera absorbée par le verre. Du rayonnement reçue par l'absorbeur a, une partie (Pd) sera re-rayonnée ou communiquée à l'air ambiant. Une partie (Pr2) de Pd va traverser la vitre et sera perdue définitivement, une autre partie (Pv2) sera absorbée par la vitre et le reste retournera vers l'absorbeur (Pa2).On négligera les pertes au travers de l'isolant i.
Rendement :
C'est le rapport entre la puissance absorbée Pa = Pa1 + Pa2 et la puissance solaire reçue par le capteur qui détermine son rendement n.
n = Puissance absorbée / Puissance solaire reçueLe rendement peut être amélioré en :
- -utilisant un verre le plus transparent possible pour réduire Pv1 et Pv2.
- -ajoutant une deuxième vitre (double - vitrage) pour diminuer Pr2, à condition que l'absorption par la deuxième vitre n'annule pas les gains d'isolation qu'elle apporte.
- -faisant travailler le capteur à la température la plus basse possible. On diminue alors les pertes Pd.
Application la plus courante : Le chauffe-eau solaire
- 1- Dans nos régions, les capteurs exposés au Sud doivent avoir une pente comprise entre 20° et 45°. La surface du capteur peut varier de 2 à 6 m².
- 2-Le ballon comprend un échangeur destiné à transférer les calories produites par les capteurs. Son volume de stockage est calculé en fonction des besoins journaliers du foyer à équiper (en moyenne de 40 à 50 litres d'eau chaude sanitaires à 45°C par jour et par personne)
- 3- Il est constitué d'un ensemble de composants destinés à assurer automatiquement la circulation des fluides entre le capteur et le ballon de stockage, la protection antigel et la sécurité d'installation.
Les capteurs par concentration
Les capteurs plans ne peuvent généralement pas porter les fluides caloporteurs à très haute température. En revanche, il est possible d'utiliser des capteurs par concentration, mais ils sont plus complexes et plus onéreux. Il s'agit de réflecteurs en demi-cercle qui renvoient et concentrent l'énergie solaire sur un tuyau où circule un fluide caloporteur. Cette concentration entraîne une augmentation de l'intensité, et les températures obtenues sur le récepteur (appelé cible) peuvent atteindre plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de degrés Celsius. Pour être efficaces, les concentrateurs doivent se déplacer pour suivre la course apparente du Soleil. De telles installations servent notamment en Arabie saoudite, pour la désalinisation de l'eau de mer par évaporation. Mais elles sont le plus souvent sollicitées pour produire de l'électricité grâce à une conversion d'énergie thermique en électrique.
Au-dessus du miroir, un récepteur de petite dimension est placé au point de convergence des rayons (le foyer de la parabole). Ce récepteur assure, en même temps, l'absorption du rayonnement solaire et sa conversion en énergie mécanique puis électrique.
Il existe cependant des capteurs par concentration à miroirs plans :
Un ensemble de miroirs, mobiles grâce à un système automatique, renvoie en permanence le rayonnement solaire à une chaudière située au sommet d'une tour. L'énergie reçue par la chaudière permet le fonctionnement d'une machine à vapeur qui entraîne une génératrice de courant.
Les capteurs à miroirs plans et miroirs paraboliques peuvent être réunis dans une même centrale. C'est le four solaire. Il est constitué d'un champ de miroirs plans mobiles et d'un grand miroir parabolique fixe qui concentre tout le rayonnement sur une surface réduite. Ces fours sont utilisés dans le traitement thermique de certains matériaux et en photochimie et permettent d'obtenir des températures qui dépassent 3 000° C.
Avantages et Inconvénients :
Avantages
- -Energie propre, silencieuse et gratuite.
- -Disponible en milieu rural ou urbain.
- -Ressource inépuisable.
- -Pas de déchets.
- -Production d'énergie décentralisée.
Inconvénients
- -Modifications esthétiques d'un milieu ou des bâtiments.
- -Energie devant être souvent complétée.
- -A la belle saison, le surplus ne peut être stocké pour les capteurs solaires plans (chauffage).
Extension :
L'avenir est plutôt dans la production décentralisée de l'électricité. La moitié de la population mondiale est située à l'écart des réseaux électriques et l'énergie solaire constitue souvent la seule possibilité d'électrification des sites isolés (refuges de montagne, balises en mer, téléphones isolés, etc.)
Cependant de nombreuses pistes pour le solaire sont étudiées. En voici deux exemples :
- la pile à hydrogène (à combustible) : des chercheurs japonais ont découvert la possibilité de photocatalyser la dissociation de l'eau en oxygène et hydrogène en utilisant le rayonnement solaire. L'hydrogène est un carburant d'avenir car sa combustion n'apporte aucune pollution (elle régénère de l'eau). La pile à hydrogène a déjà fait ses preuves sur les engins spatiaux ;
- les centrales solaires satellisées : le projet Solar Power Satellite envisage de satelliser une centrale de production photovoltaïque. La disponibilité de l'énergie solaire serait alors de 24 heures sur 24 et l'énergie produite serait transportée sur terre par faisceaux laser ou micro-ondes.