Chauffe-eau solaire

Un chauffe-eau solaire est un dispositif de captage de l'énergie solaire destiné à fournir partiellement ou totalement de l'eau chaude sanitaire (ECS).

Quand il est destiné à une maison individuelle ou à l'usage d'un seul foyer, on parle de CESI, pour « Chauffe-Eau Solaire Individuel ».

Ce type de chauffage de l'eau permet, habituellement, de compléter les autres types de chauffage de l'eau, exploitant d'autres sources énergétiques (électricité, énergies fossiles, biomasse) ; dans certaines conditions il permet de les remplacer totalement. L'énergie solaire étant renouvelable, ce type de chauffage permet de produire 50 à 70 % de l'énergie de chauffage de l'eau. L'installation de tels dispositifs est encouragée par de nombreux États et collectivités via la fiscalité, des primes et/ou une obligation d'installation sur les nouvelles constructions.

Part de l'énergie solaire

La part de l'énergie solaire correspond au taux de couverture solaire, c'est-à-dire le rapport entre l'énergie fournie par la partie solaire d'une installation et la consommation totale de l'installation.

Dans les pays méditerranéens (par exemple, Grèce, Turquie, Israël), certains pays d'Asie notamment la Chine (2 555,9/8 760 heure d'ensoleillement par an à Pékin, contre 1 661,6 pour Paris), ou dans les Caraïbes, les chauffe-eau solaires sont plus habituels. Compte tenu d'un ensoleillement régulier, intense, et d'une température ambiante élevée, l'équipement est beaucoup plus simple, fréquemment constitué d'un simple ballon en toiture non isolé thermiquement, qui fait usage de capteur solaire en même temps que de réservoir d'eau chaude.

Technique des panneaux solaires thermiques

Il existe principalement trois types de panneaux solaires thermiques : les capteurs plans non-vitrés de l'eau circule dans un tube absorbeur, généralement peint en noir et à l'air libreCes tubes doivent être vidangés lorsque la température de l'air descend en dessous de pour éviter les dégâts causés par la glace dans les canalisations, les joints et les raccords. ; les capteurs plans vitrés un fluide caloporteur circule dans un tube absorbeur, à l'intérieur d'un caisson, vitré sur la face exposée au soleil et isolé sur les autres. Ces capteurs, à la fois simples et performants, peuvent être auto-construits ; les collecteurs à tubes sous vide ces capteurs sont plus complexes car chaque élément est constitué de deux tubes de verre concentriques, isolés par le vide. Le fluide caloporteur circule dans un dispositif placé dans le tube central. La très bonne isolation thermique fournie par le vide limite les déperditions, ce qui permet d'atteindre de plus hautes températures lorsque l'écart de température avec l'extérieur est important, donc notamment en hiver, ou sous des climats froids. Les tubes ont un revêtement interne permettant de capturer jusqu'à 80 % de l'énergie solaire.

Histoire

Les premiers enregistrements de collecteurs solaires aux États-Unis remontent avant 1900, avec l'utilisation d'un réservoir peint en noir monté sur un toitSolar Evolution – The History of Solar Energy, John Perlin, California Solar Center. En 1896, Clarence Kemp de Baltimore a placé un réservoir dans une boîte en bois, créant ainsi le premier 'chauffe-eau en lot' tel qu'il est connu aujourd'hui. Frank Shuman a édifié la première centrale solaire thermique du monde à Maadi, en Égypte, en se servant de réflecteurs paraboliques pour alimenter un moteur de 45 à 52 kilowatts (60 à 70 chevaux), qui acheminait 23 000 litres (6 000 gallons américains) d'eau par minute du Nil vers les champs de coton avoisinants.

Des collecteurs plans pour le chauffage solaire de l'eau ont été utilisés en Floride et en Californie du Sud dans les années 1920. L'intérêt a augmenté en Amérique du Nord après 1960, mais surtout après la crise pétrolière de 1973.

L'énergie solaire est utilisée en Australie, au Canada, en Chine, en Allemagne, en Inde, en Israël, au Japon, au Portugal, en Roumanie, en Espagne, au Royaume-Uni et aux États-Unis.

Méditerranée

Israël, Chypre et la Grèce sont les leaders en termes d'utilisation des systèmes de chauffage solaire de l'eau par habitant, soutenant 30 % à 40 % des foyers.

Les systèmes solaires plans ont été perfectionnés et utilisés à grande échelle en Israël. Dans les années 1950, en raison d'une pénurie de carburant, le gouvernement a interdit le chauffage de l'eau entre 22 h et 6 h. Levi Yissar a construit le premier prototype de chauffe-eau solaire israélien et en 1953, il a fondé la société NerYah, premier fabricant commercial israélien de chauffe-eau solaires.

En 1967, 20 % de la population utilisait des chauffe-eau solaires. À la suite de la crise énergétique des années 1970, en 1980, Israël a rendu obligatoire l'installation de chauffe-eau solaires dans toutes les nouvelles habitations (à l'exception des immeubles de grande hauteur avec une surface de toit insuffisante). En conséquence, Israël est devenu le leader mondial de l'utilisation de l'énergie solaire par habitant, avec 85 % des ménages utilisant des systèmes thermiques solaires (représentant 3 % de la consommation d'énergie primaire nationale). Cela permet d'économiser environ 2 millions de barils () de pétrole par an pour le pays.

En 2005, l'Espagne est devenue le premier pays au monde à exiger l'installation de la production d'électricité photovoltaïque dans les nouveaux bâtiments, et le deuxième (après Israël) à exiger l'installation de systèmes de chauffage solaire de l'eau, en 2006.

Asie

Après 1960, les systèmes ont été commercialisés au Japon.

L'Australie dispose d'une variété de réglementations nationales, étatiques et régionales pour le solaire thermique, à commencer par le MRET en 1997Israel del Mundo and Ian Wills (2005) The Economics of the Mandatory Renewable Energy Target (MRET), Department of Economics Monash University, Australie..

Les systèmes de chauffage solaire de l'eau sont populaires en Chine, où les modèles de base commencent à environ 1 500 yuans (235 dollars américains), soit environ 80 % moins chers que dans les pays occidentaux pour une taille de collecteur donnée. Au moins 30 millions de foyers chinois en possèdent un. La popularité s'explique par l'utilisation de tubes sous vide efficaces qui permettent aux chauffe-eau de fonctionner même par temps nuageux et à des températures bien inférieures à zéroEnergy-Hungry China Warms to Solar Water Heaters discute de China Himin Solar Energy Group à Dezhou. Article Reuters, publié sur le site de Planet Ark. Constitution Un chauffe-eau solaire est constitué de plusieurs organes : des panneaux ou capteurs solaires thermiques qui captent l'énergie du rayonnement solaire en chauffant un fluide caloporteur (eau ou antigel) dans un circuit primaire. Ce dernier est chargé d'acheminer les calories récupérées jusqu'au réservoir, via un circuit primaire.

un réservoir ou ballon d'eau chaude dans lequel un volume d'eau est chauffé par le liquide caloporteur à travers un échangeur thermique, souvent un serpentin de cuivre. Deux fonctions coexistent : l'échangeur de chaleur et le stockage de l'eau chaude secondaire. Dans le cas d'une autoconstruction, il peut donc être en 2 parties : 1 échangeur de chaleur et un réservoir d'eau chaude, ceci peut permettre la réutilisation d'un cumulus.

un circulateur Si le réservoir est placé plus haut que le panneau solaire, il n'est pas nécessaire d'utiliser une pompe, l'eau chaude montant naturellement, comme pour un chauffage central traditionnel. La circulation de l'eau dans le circuit primaire se fait par thermosiphon quand la température de l'eau dans le panneau est assez élevée, par rapport à celle du reste de la boucle primaire, pour amorcer la circulation. Sinon, si le ballon est plus bas que le capteur solaire, un circulateur est nécessaire. Il est constitué d'une pompe mue par un moteur électrique, il s'agit alors d'une « circulation forcée ».

un vase d'expansion sur le circuit primaire, assure la sécurité du matériel, il permet de compenser la dilatation thermique du fluide. Il prend la forme d'un petit réservoir métallique contenant une poche en caoutchouc d'un volume inférieur mais extensible ; une soupape de sécurité est impérative dans un circuit fermé, dans le cas où elle ne serait pas intégrée à celui-ci. Un vase d'expansion à l'air libre (simple bidon en plastique) placé au point haut résout les problèmes de dilatation et de sécurité en cas de surchauffe (pas de vidange de fluide caloporteur). Le vase d'expansion peut être remplacé directement par le contenant de l'échangeur de chaleur dans le cas d'un système « » ou auto-vidangeable, donc à pression atmosphérique. ;

un dispositif de chauffage d'appoint peut être intégré au réservoir sous forme d'une résistance électrique ou mis en parallèle : liaison à une chaudière à gaz, au fioul ou au bois. Il est utile lorsque l'énergie solaire ne suffit pas aux besoins, donc pendant la saison froide, par temps couvert, ou bien lors du passage de personnes extérieures ou lors d’événements. L'appoint peut (très exceptionnellement dans les régions à climat tempéré ou océanique) être évité avec une plus grande installation pour pallier les creux .

protection antigel l'hiver, si le circuit primaire est de l'eau, il peut être nécessaire d'arrêter son alimentation en eau et de vidanger le circuit pour éviter tout dommage lié au gel. Pour pallier cet inconvénient, on préférera utiliser un liquide caloporteur constitué d'antigel alimentaire comme le tyfocor, l'autre solution consiste à utiliser un système auto-vidangeable.

Trois types d'installations Moquette solaire La moquette solaire consiste simplement en un tapis de couleur noire posé à plat dans lequel circule l'eau à chauffer, à travers des tuyaux ou rainures. Elle est généralement souple et amovible. On l'utilise quand le volume d'eau requis est faible ou qu'une température basse suffit. L'efficacité dépend de l'ensoleillement mais aussi de la température de l'air. Ce capteur simplifié à l'extrême est donc parfaitement adapté au réchauffage des piscines (très utilisé en Allemagne : toiture de la piscine municipale de Rheda-Wiedenbrück, mais des fabricants français proposent aussi des kits), ou des douches de camping. Un ballon d'eau de couleur noire accroché, dans un arbre par exemple, fait également une bonne douche écologique de camping.

Circulation par thermosiphon Le système à circulation par thermosiphon est le plus simple ; basé sur le principe selon lequel l'eau chaude, du fait de sa moindre densité a tendance à monter naturellement, il impose que le réservoir de stockage soit placé plus haut que les capteurs.

Si le ballon est situé au-dessus du capteur, lorsque les capteurs sont exposés au soleil ou à une certaine luminosité, il s'établit une circulation naturelle : le fluide caloporteur chaud se situant dans les serpentins en cuivre, monte vers le réservoir de stockage, cède ses calories avant de revenir dans le bas du capteur. La circulation se poursuit tant que l'eau contenue dans le capteur est plus chaude que l'eau dans le ballon.

Certains petits modèles commerciaux exploitent le système du thermosiphon : de type « monobloc » ou « compact », ils intègrent capteurs et ballon sur la même structure.

Avantages

Inconvénients