Comment utiliser l’energie solaire

L'énergie solaire thermique - Fiche technique

Introduction

Le soleil est la source de la grande majorité d'énergie que nous utilisons sur la terre. La plupart de l'énergie que nous utilisons a connu de nombreuses transformations avant d'être finalement utilisées, mais il est également possible d'exploiter cette source d'énergie solaire à l’état où elle arrive sur la surface de la terre.

Il existe de nombreuses applications pour l'utilisation directe de l'énergie solaire thermique, le chauffage et le refroidissement, le chauffage de l'eau, le séchage des récoltes et la cuisson solaire. C'est une technologie qui est bien comprise et largement utilisée dans de nombreux pays à travers le monde. La plupart des technologies solaires thermiques existent sous une forme ou une autre depuis des siècles et ont une base de fabrication bien établie dans les pays développés, riche en soleil.

L'utilisation la plus commune pour la technologie solaire thermique sert à chauffer l'eau domestique. Des centaines de milliers de systèmes d'eau chaude sanitaire sont utilisés partout dans le monde, surtout dans des régions telles que la Méditerranée et en Australie où il existe une insolation élevée (l'énergie totale par unité de surface reçue du soleil). Comme les prix mondiaux du pétrole varient, c’est une technologie qui gagne rapidement une acceptation en tant que mesure d'économie d'énergie dans les deux utilisations de l’eau de chauffage domestique et commerciale. Actuellement, on trouve généralement des chauffe-eaux domestiques auprès de certaines sections aisées de la communauté dans les pays en développement.

Il existe d'autres technologies qui tirent parti de l'énergie gratuite fournie par le soleil. Les technologies de chauffage de l'eau sont généralement orientées vers les technologies de l'énergie solaire active, tandis que d'autres technologies, comme le chauffage ou le refroidissement, qui absorbent passivement l'énergie du soleil et qui n’ont aucun composant mobile, sont désignées comme les technologies solaires passives.

Des technologies solaires plus sophistiquées existent pour fournir la puissance pour la production d'électricité. Nous en reviendrons brièvement plus loin dans la présente fiche d'information.

Other technologies exist which take advantage of the free energy provided by the sun. Water heating technologies are usually referred to as active solar technologies, whereas other technologies, such as space heating or cooling, which passively absorb the energy of the sun and have no moving components, are referred to as passive solar technologies.

More sophisticated solar technologies exist for providing power for electricity generation. We will look at these briefly later in this fact sheet.

Technique

La nature et la disponibilité du rayonnement solaire

Le rayonnement solaire arrive sur la surface de la terre à une densité d’une puissance maximale d'environ 1 kilowatt par mètre carré (kWm^-2). La composante réelle de rayonnement utilisable varie selon l'emplacement géographique, la nébulosité, les heures d'ensoleillement de chaque jour, etc. En réalité, la densité du flux solaire (comme la puissance) varie entre 250 et 2500 kilowatt-heures par mètre carré par an (kWhm^-2. Comme on pouvait s'y attendre, le rayonnement solaire total est le plus élevé à l'équateur, en particulier dans les régions désertiques ensoleillées.

Le rayonnement solaire arrive à l'atmosphère extérieure de la terre sous la forme d'un faisceau direct. Cette lumière est ensuite partiellement dispersée par les nuages, le smog, la poussière ou autres phénomènes atmosphériques (voir figure 1 ci-dessous). Nous recevons donc le rayonnement solaire, soit sous forme de rayonnement direct ou dispersé, ou rayonnement diffus, le taux dépend des conditions atmosphériques. Les deux composantes du rayonnement direct et diffus sont utiles, la seule distinction entre les deux étant que le rayonnement diffus ne peut pas être concentré pour utilisation.

Figure 1: rayonnement solaire direct et diffus

Le rayonnement solaire arrivant du soleil atteint la surface de la terre sous forme de rayonnement à ondes courtes. Toute l'énergie provenant du soleil est finalement réémise dans l'espace lointain - sinon la température de la terre serait en constante augmentation. Cette chaleur est rayonnée loin de la terre comme rayonnement à ondes longues. L'art d'extraire la puissance de la source de l'énergie solaire est basé autour du principe de capter le rayonnement d’ondes courtes et de l'empêcher d'être réémis directement dans l'atmosphère. Le verre et autres surfaces sélectives sont utilisés pour atteindre cet objectif. Le verre a la capacité de permettre le passage des ondes courtes, tout en empêchant la chaleur du rayonnement d’être rayonnée sous forme de rayonnement à ondes longues. Pour le stockage de cette chaleur captée on utilise un liquide ou une matière solide avec une masse thermique élevée. Dans un système de chauffage de l'eau ce sera le fluide qui traverse le collecteur, tandis que dans la construction, des murs agiront en tant que masse thermique. Des mares ou des lacs sont parfois utilisés pour le stockage saisonnier de la chaleur.

La géométrie de la terre et le soleil

La terre tourne autour du soleil avec son axe incliné à un angle de 23,5 degrés. C'est cette inclinaison qui donne lieu aux saisons. La force de la densité du flux solaire dépend de l'angle sous lequel il frappe la surface de la terre, et ainsi, comme l'angle change au cours du cycle annuel, l’insolation change aussi. Ainsi, dans les pays du nord, dans les profondeurs de l'hiver, où le soleil est bas dans le ciel vers le sud, le rayonnement frappe la surface de la terre en oblique et le gain solaire (rendement solaire) est faible.

Si cette énergie est utilisée pour chauffer l'eau au moyen d'un capteur solaire, l'inclinaison et l'orientation de ce panneau est essentielle pour le niveau de gain d'énergie solaire, et donc l'augmentation de la température de l'eau. La surface du collecteur devrait être orientée vers le soleil autant que possible. La plupart des chauffe-eaux solaires pour le chauffage sont fixés en permanence sur les toits des bâtiments et ne peuvent donc pas être ajustés. Des systèmes plus sophistiqués pour la production d'électricité, utilisent des dispositifs de repérage pour suivre le soleil dans le ciel pendant la journée.

Il existe de nombreuses méthodes disponibles pour aider à la conception d’un système et pour prédire la performance de celui-ci. La variabilité de la ressource solaire est telle que toute prédiction précise ne se prête qu'à des techniques analytiques complexes. Des techniques plus simples sont disponibles pour une analyse plus rudimentaire. Ces techniques peuvent être trouvées dans les textes appropriés.

Applications d'énergie solaire thermique

Chauffage de l'eau

Une basse température (moins de 100 º C) de l'eau de chauffage est nécessaire dans la plupart des pays du monde, à la fois pour l'usage domestique et commercial. Il existe une vaste gamme de chauffe-eaux solaires disponibles. Le plus simple est un morceau de tuyau en plastique noir, rempli d'eau, et exposé au soleil pour chauffer l’eau. Les chauffe-eaux solaires simples consistent généralement en une série de tuyaux qui sont peints en noir, placés dans une boîte isotherme avec un panneau de façade de verre. Ceci est connu comme un collecteur solaire. Le fluide qui doit être chauffé passe à travers le collecteur et arrive dans un réservoir pour le stockage. Le fluide peut être recyclé dans le réservoir à plusieurs reprises pour augmenter la chaleur du fluide à la température requise. Il existe deux configurations simples communes pour un tel système et elles sont décrites ci-dessous.

• Le système thermosiphon fait usage de la tendance naturelle de l'eau chaude pour s'élever au-dessus de l'eau froide. Le réservoir, dans un tel système, est toujours situé au-dessus du sommet du collecteur et dès que l'eau est chauffée dans le collecteur elle monte et est remplacée par de l'eau froide au fond de la citerne. Ce cycle se poursuivra jusqu'à ce que la température de l'eau dans le réservoir soit égale à celle du panneau. Une valve à une direction est généralement installée dans le système pour empêcher que l'inverse se produise la nuit lorsque la température baisse. Comme l'eau chaude est soutirée pour l'emploi, de l’eau froide est injectée dans le réseau par le secteur. Comme la plupart des capteurs solaires sont installés sur les toits des maisons, ce système n'est pas toujours commode, car il est difficile de placer le réservoir au-dessus du collecteur, auquel cas le système aura besoin d'une pompe pour faire circuler l'eau.

• Les chauffe-eaux solaires à pompe ont recours à un dispositif de pompage pour conduire l'eau à travers le collecteur. L'avantage de ce système est que le réservoir de stockage peut être situé en dessous du collecteur. L'inconvénient est bien sûr que l'électricité est appelée à conduire la pompe. Souvent, le fluide circulant dans le collecteur sera traité avec un anticorrosif et / ou un anti-gèle. Dans ce cas, un échangeur de chaleur est nécessaire pour transférer la chaleur pour l'approvisionnement en eau chaude aux consommateurs.

Les chauffe-eaux solaires à pompe ont recours à un dispositif de pompage pour conduire l'eau à travers le collecteur.

L'avantage de ce système est que le réservoir de stockage peut être situé en dessous du collecteur. L'inconvénient est bien sûr que l'électricité est appelée à conduire la pompe. Souvent, le fluide circulant dans le collecteur sera traité avec un anticorrosif et / ou un anti-gèle. Dans ce cas, un échangeur de chaleur est nécessaire pour transférer la chaleur pour l'approvisionnement en eau chaude aux consommateurs.

Des systèmes intégrés combinent la fonction de réservoir et collecteur afin de réduire le coût et la taille. La technologie de collecteurs a fait ces dernières années de grands progrès. Des collectionneurs de pointe sont fabriqués à partir d'une variété de matériaux modernes et sont conçus pour une efficacité optimale. Des tubes collecteurs placés dans une gaine de verre sous vide absorbent la chaleur pour minimiser les pertes.

La complexité du système varie également selon l'utilisation. Pour les applications commerciales, les banques de collecteurs sont utilisées pour fournir de plus grandes quantités d'eau chaude au besoin. Beaucoup de ces systèmes sont en usage dans les hôpitaux des pays en développement.

Solar cooking

Solar cooking is a technology which has been given a lot of attention in recent years in developing countries. The basic design is that of a box with a glass cover (see Figure 2). The box is lined with insulation and a reflective surface is applied to concentrate the heat onto the pots. The pots can be painted black to help with heat absorption. The solar radiation raises the temperature sufficiently to boil the contents in the pots. Cooking time is often a lot slower than conventional cooking stoves but there is no fuel cost.

Figure 2: Principles of operation of the solar cooker

Many variations have been developed on this theme but the main restriction has been one of reducing costs sufficiently to permit widespread dissemination. The cooker also has limitations in terms of only being effective during hours of strong sunlight. Another cooking stove is usually required for the periods when there is cloud or during the morning and evening hours. There have been large, subsidised solar cooking stove dissemination programmes in India, Pakistan and China.

Crop drying

Controlled drying is required for various crops and products, such as grain, coffee, tobacco, fruits vegetables and fish. Their quality can be enhanced if the drying is properly carried out. Solar thermal technology can be used to assist with the drying of such products. The main principle of operation is to raise the heat of the product, which is usually held within a compartment or box, while at the same time passing air through the compartment to remove moisture. The flow of air is often promoted using the 'stack' effect which takes advantage of the fact that hot air rises and can therefore be drawn upwards through a chimney, while drawing in cooler air from below. Alternatively a fan can be used. The size and shape of the compartment varies depending on the product and the scale of the drying system. Large systems can use large barns while smaller systems may have a few trays in a small wooden housing.

Solar crop drying technologies can help reduce environmental degradation caused by the use of fuel wood or fossil fuels for crop drying and can also help to reduce the costs associated with these fuels and hence the cost of the product. Helping to improve and protect crops also has beneficial effects on health and nutrition.

Space heating

In colder areas of the world (including high altitude areas within the tropics) space heating is often required during the winter months. Vast quantities of energy can be used to achieve this. If buildings are carefully designed to take full advantage of the solar insolation which they receive then much of the heating requirement can be met by solar gain alone. By incorporating certain simple design principles a new dwelling can be made to be fuel efficient and comfortable for habitation. The bulk of these technologies are architecture based and passive in nature. The use of building materials with a high thermal mass (which stores heat), good insulation and large glazed areas can increase a buildings capacity to capture and store heat from the sun. Many technologies exist to assist with diurnal heating needs but seasonal storage is more difficult and costly.

For passive solar design to be effective certain guidelines should be followed:

• a building should have large areas of glazing facing the sun to maximise solar gain

• features should be included to regulate heat intake to prevent the building from overheating

• a building should be of sufficient mass to allow heat storage for the required period

• contain features which promote the even distribution of heat throughout the building

One example of a simple passive space heating technology is the Trombe wall. A massive black painted wall has a double glazed skin to prevent captured heat from escaping. The wall is vented to allow the warm air to enter the room at high level and cool air to enter the cavity between the wall and the glazing. Heat stored during the wall during the day is radiated into the room during the night. This type of technology is useful in areas where the nights are cold but the days are warm and sunny.

Space cooling

The majority of the worlds developing countries, however, lie within the tropics and have little need of space heating. There is a demand, however, for space cooling. The majority of the worlds warm-climate cultures have again developed traditional, simple, elegant techniques for cooling their dwellings, often using effects promoted by passive solar phenomenon.

There are many methods for minimising heat gain. These include siting a building in shade or near water, using vegetation or landscaping to direct wind into the building, good town planning to optimise the prevailing wind and available shade. Buildings can be designed for a given climate - domed roofs and thermally massive structures in hot arid climates, shuttered and shaded windows to prevent heat gain, open structure bamboo housing in warm, humid areas. In some countries dwellings are constructed underground and take advantage of the relatively low and stable temperature of the surrounding ground. There are as many options as there are people.

Day-lighting

A simple and obvious use for solar energy is to provide light for use in buildings. Many modern buildings, office blocks and commercial premises for example, are designed in such a way that electric light has to be provided during the daytime to provide sufficient light for the activities taking place within. An obvious improvement would be to design buildings in such a way that that the light of the sun can be used for this purpose. The energy savings are significant and natural lighting is often preferred to artificial electric lighting.

Solar thermal power stations

There are two basic types of solar thermal power station. The first is the 'Power Tower' design which uses thousands of sun-tracking reflectors or heliostats to direct and concentrate solar radiation onto a boiler located atop a tower. The temperature in the boiler rises to 500 - 700EC and the steam raised can be used to drive a turbine, which in turn drives an electricity producing turbine.

The second type is the distributed collector system. This system uses a series of specially designed 'Trough' collectors which have an absorber tube running along their length. Large

arrays of these collectors are coupled to provide high temperature water for driving a steam turbine. Such power stations can produce many megawatts (MW) of electricity, but are confined to areas where there is ample solar insolation. Solar thermal power plants with a generating capacity of 80 MW are functioning in the USA.

Solarthermal furnace

A solar furnace can melt metals for casting, and produce high temperatures for various other uses.

The main component of the solar furnace is a large sheet of rigid material with a large number of small mirrors attached. The mirrors are attached with blobs of silicone sealant, which acts as a hinge. Screws through the material are used to adjust the position of each mirror so that all aim light at the target. A 400 sun intensity conentrator is quite practical with this method, and capable of generating huge temperatures

It must be appreciated that although the target is nothing more than a bit of air space, this point is a dangerous location able to ignite paper almost instantly. And the focal point moves as the sun moves across the sky. Thus it is necessary to make quite sure the sun can never reach the concentrator when not in deliberate use.

In developing countries such furnaces may be used to cast scrap metals into saleable products.

Other uses

There are many other uses for solar thermal technology. These include refrigeration, air conditioning, solar stills and desalination of salt water and more. More information on these technologies is available in the relevant texts given in the reference section at the end of this fact sheet.

Other issues

Manufacture in developing countries

Many of the active solar technologies rely on sophisticated, exotic modern materials for their manufacture. This presents problems in developing countries where such materials have to be imported. Some countries do have a manufacturing base for solar thermal products but it is often small by no means widespread throughout the world. The market for solar products, such as solar water heaters, is small and growing only slowly.

Solar passive technology, especially solar cooling, tends to be used traditionally in developing countries. Many technological advances have been made in design of 'solar buildings' in developed countries during the last two decades but again the level of technology is often high and expensive and out of reach for rural communities in developing countries.

Dissemination

Solar cookers One major factor in the adoption of solar cookers in Kenya is the degree to which the technology can be used to undertake existing traditional cooking activities. Of the people interviewed in a review survey 90 % found the cooker to be too slow. Fifty four per cent complained that it could not cook their preferred dishes, and in many cases the cooker could not cook enough for all the family members. Sixty seven per cent has misgivings about leaving their food or cooker unattended and so only used them when they were present to watch over them. In some areas where the solar box cooker is promoted there is a real scarcity of food and people will not experiment with the little food that they have. The cooker is seen as a very expensive item by over 53% of the respondents, especially since it can only cook during the day. In seven out of ten project areas visited firewood is freely available and there is little incentive for people to buy or use the cooker. Strong winds and dust disrupt solar cooking in some areas, although this could be solved by making the cooker more robust. Socio-economic factors appear to influence adoption more than the technical features of the cooker. The survey showed that choice of dissemination method or approach has affected adoption. This is true especially where the wrong choice of target group and area is made. Source: Stephen Gitonga, Practical Action East Africa, Kenya

References and further reading

This Howtopedia entry was derived from the Practical Action Technical Brief Solar Thermal Energy.
To look at the original document follow this link: http://www.practicalaction.org/?id=technical_briefs_energy

1. Garg, H.P., Gouri, D., and Gupta, R., Renewable Energy Technologies, Indian Institute of technology and the British High Commission, 1997.

2. Karekezi, S. and Ranja, T., Renewable Energy Technologies in Africa, AFREPREN / SEI, 1997

3. Twidell, J. And Weir, T., Renewable Energy Resources, E & F.N. Spon, 1990.

4. Hulscher, W., and Fraenkal, P., The Power Guide, IT Publications, 1994

5. Rozis. J. And Guinebault, A ., Solar Heating in Cold Regions, IT Publications, 1996

6. Boiling Point, Issue Number 36, November 1995, Intermediate Technology / GTZ.

solar radiation maps: http://re.jrc.cec.eu.int/pvgis/pv/countries/countries-non-europe.htm

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