Sommaire

1 L'énergie solaire thermique - Fiche technique

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.

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.

Cuisson solaire

La cuisson solaire est une technologie qui a reçu beaucoup d'attention ces dernières années dans les pays en développement. La conception de base est celui d'une boîte avec un couvercle en verre (voir figure 2). La boîte est doublée d'une isolation et une surface réfléchissante est appliquée pour concentrer la chaleur dans les récipients. Les casseroles peuvent être peintes en noir pour aider l'absorption de la chaleur. Le rayonnement solaire augmente suffisamment la température pour faire bouillir le contenu des casseroles. Le temps de cuisson est souvent beaucoup plus lent que pour les poêles de cuisine classique, mais il n'y a pas de coût de carburant.

Figure 2: principes de fonctionnement du four solaire

Plusieurs variantes ont été développées sur ce thème, mais l’une des principales restrictions a été de réduire suffisamment les coûts pour permettre une large diffusion. La cuisinière a aussi ses limites. Elle est efficace seulement pendant les heures de fort ensoleillement. Un autre four de cuisson est habituellement exigé pour les périodes où il ya des nuages ou pendant la matinée et en soirée. Il y a eu beaucoup de programmes de subventions pour les fours à cuisson solaire en Inde, au Pakistan et en Chine.

Le séchage des récoltes

Le séchage contrôlé est requis pour divers types de cultures et de produits, comme les céréales, le café, le tabac, les fruits les légumes et le poisson. Leur qualité peut être améliorée si le séchage est correctement effectué. La technologie solaire thermique peut être utilisée pour aider à l'assèchement de ces produits. Le principe essentiel de l'opération est d'augmenter la chaleur du produit, ce qui a généralement lieu dans un compartiment ou un box. Pendant ce temps de l’air passe dans le compartiment pour éliminer l'humidité. Le flux d'air est souvent promu en utilisant l’effet 'empilage' ayant l’avantage que l'air chaude monte et peut donc être attirée vers le haut par une cheminée, tout en attirant l'air froid d'en bas. À défaut, un ventilateur peut être utilisé. La taille et la forme du compartiment varie selon le produit et l'échelle du système de séchage. Les gros systèmes peuvent utiliser de grandes granges tandis que les systèmes plus petits peuvent avoir quelques plateaux dans un petit logement en bois.

Les technologies solaires de séchage des récoltes peuvent aider à réduire la dégradation environnementale causée par l'utilisation du bois de chauffage ou des combustibles fossiles pour le séchage des récoltes et peut aussi contribuer à réduire les coûts associés à ces carburants et donc le coût du produit. Aider à améliorer et à protéger les cultures a aussi des effets bénéfiques sur la santé et la nutrition.

Chauffage des locaux

Dans les régions froides du globe (y compris les zones de haute altitude dans les tropiques), le chauffage des locaux est souvent nécessaire pendant les mois d'hiver. De grandes quantités d'énergies peuvent être utilisées pour atteindre cet objectif. Si les bâtiments sont soigneusement conçus pour tirer pleinement parti de l'ensoleillement dont ils reçoivent alors une grande partie des besoins de chauffage peut être satisfaite par le gain solaire. En intégrant certains principes de conceptions simples, un nouveau logement peut être fait pour être économe en carburant et plus confortable pour l'habitation. La majeure partie de ces technologies sont basées sur une architecture adaptée à la nature. L'utilisation de matériaux de construction avec une masse thermique importante (qui stocke la chaleur), une bonne isolation et de grands espaces vitrés peuvent accroître la capacité des bâtiments à capturer et stocker la chaleur du soleil. De nombreuses technologies existent pour aider aux besoins de chauffage diurne mais le stockage saisonnier est plus difficile et plus coûteux.

Pour que la conception solaire passive soit efficace, certaines lignes directives doivent être suivies:

un bâtiment devrait avoir de grandes surfaces vitrées, face au soleil afin de maximiser le gain solaire

des fonctions devraient être incluses pour régler l'apport de chaleur afin d’empêcher la surchauffe

un bâtiment devrait avoir une masse suffisante pour permettre un stockage de chaleur pour la période nécessaire

avoir des caractéristiques qui favorisent la distribution de la chaleur dans tout le bâtiment.

Un exemple de technologie de chauffage des locaux passive et simple est le mur « trombe ». Un mur peint en noir massif recouvert d'un double vitrage pour éviter que la chaleur capturée s'échappe. Le mur est ouvert pour laisser entrer l'air chaud dans la chambre au niveau élevé et l'air frais entre dans la cavité entre le mur et le vitrage. La chaleur emmagasinée dans le mur lors de la journée est rayonnée dans la salle pendant la nuit. Ce type de technologie est utile dans les zones où les nuits sont froides mais les journées sont chaudes et ensoleillées.

La climatisation des locaux

La majorité des pays en développement du monde, se situent dans les tropiques et ont peu besoin de chauffer les locaux. Il y a une demande, toutefois, pour le refroidissement de l'espace. La majorité des cultures du monde dont le climat est chaud, ont développé à nouveau des techniques traditionnelles, simples et élégantes pour le refroidissement de leurs habitations, en utilisant souvent des effets promus par le phénomène solaire passif.

Il existe de nombreuses méthodes pour réduire au minimum le gain de chaleur. Il s'agit notamment de la construction d'un bâtiment à l'ombre ou près de l'eau, en utilisant la végétation ou l'aménagement paysager pour diriger le vent directement dans le bâtiment, une bonne planification de la ville afin d'optimiser le vent dominant et la disponibilité de l’ombre. Les bâtiments peuvent être conçus pour un certain climat – avec des toits bombés et des structures thermiquement massives pour les climats chauds et arides, des fenêtres fermées et ombragées pour prévenir le gain de chaleur, des structures de bambous ouvertes dans les endroits chauds et humides. Dans certains pays, les logements sont construits sous terre et profitent de la température relativement basse et stable du sol environnant. Il y a autant d'options comme il y a de gens.

L'éclairage naturel

Une utilisation de l'énergie solaire simple et évidente est de fournir de la lumière pour utilisation dans les bâtiments. Beaucoup de bâtiments modernes, immeubles de bureaux et de locaux commerciaux par exemple, sont conçus de telle façon que la lumière électrique doit être fournie au cours de la journée afin d'assurer un éclairage suffisant pour les activités qui se déroulent à l'intérieur. Une amélioration évidente serait de concevoir des bâtiments de manière à ce que la lumière du soleil puisse être utilisée à cette fin. L’épargne d'énergie par éclairage considérable et naturel est souvent préférée à l'éclairage électrique artificiel.

Stations thermales d’énergie solaire

Il existe deux types de base de station d'énergie solaire thermique. La première est la conception «tour de puissance», qui utilise des milliers de réflecteurs solaire ou héliostats pour diriger et concentrer le rayonnement solaire sur une chaudière située au sommet d'une tour. La température dans la chaudière monte à 500 - 700EC et la vapeur amassée servira à alimenter une turbine qui, à son tour, entraîne une production d'électricité éolienne.

TLe deuxième type est le collecteur distributeur. Ce système utilise une série de collecteurs «auges» conçus spécialement, avec un tube absorbeur sur toute leur longueur. Les grands tableaux de ces capteurs sont joints pour fournir de l'eau à haute température afin de faire fonctionner une turbine à vapeur. Ces centrales peuvent produire plusieurs mégawatts (MW) d'électricité, mais sont limitées à des zones où il y a amplement d'insolation. Les centrales solaires thermiques d'une capacité de 80 MW sont en fonctionnement aux Etats-Unis.

Four solaire thermal

Un four solaire peut fondre des métaux pour la coulée et produire des températures élevées pour des usages différents.

La principale composante du four solaire est une grande feuille de matériau rigide avec un grand nombre de petits miroirs joints. Les miroirs sont assemblés avec des gouttes de mastic silicone, qui agissent comme une charnière. Des vis sont utilisées à travers les matériaux pour ajuster la position de chaque miroir afin que toute la lumière vise la cible. Avec un concentrateur de l’intensité de la lumière à 400, cette méthode est bien pratique et, est capable de générer des températures énormes.

Il faut comprendre que même si la cible n'est rien de plus qu'un peu d'espace, ce point est un endroit dangereux, capable d'enflammer le papier presque instantanément. Le point focal change avec le mouvement du soleil dans le ciel. Il est donc nécessaire d’être bien sûr que le soleil ne puisse jamais atteindre le concentrateur lorsqu'il n'est pas utilisé.

Dans les pays en développement de tels fours peuvent être utilisés pour transformer les déchets métalliques en produits commercialisables.

Autres usages

Il existe de nombreuses autres utilisations de la technologie thermique solaire. Il s'agit notamment de la réfrigération, la climatisation, les distillateurs solaires et le dessalement de l'eau salée et plus encore. Plus d'informations sur ces technologies sont disponibles dans les textes appropriés figurant dans la section de référence à la fin de la présente feuille de renseignements.

Autres possibilités

Fabrication dans les pays en développement

Un bon nombre des technologies solaires actives s'appuient sur la sophisticité des matériaux exotiques modernes pour leur fabrication. Cela pose des problèmes dans les pays en développement où de tels matériaux doivent être importés. Certains pays disposent de fabrique pour les produits solaires thermiques, mais elles sont souvent très petites, pas du tout répandues dans le monde. Le marché des produits solaires, comme les chauffe-eaux solaires, est faible et n'augmente que lentement.

La technologie solaire passive, la climatisation solaire en particulier, tend à être utilisée traditionnellement dans les pays en développement. De nombreux progrès technologiques ont été faits dans la conception de «bâtiments solaires» dans les pays développés au cours des deux dernières décennies, mais là encore le niveau de technologie est souvent élevé et coûteux et hors de portée pour les communautés rurales dans les pays en développement.

Diffusion

Les cuisinières solaires

Un facteur majeur dans l'adoption de cuisines solaires au Kenya est la mesure dans laquelle la technologie peut être utilisée pour réaliser les activités existantes dans la cuisine traditionnelle. Parmi les personnes interrogées lors d’un sondage effectué, 90% trouve la cuisinière trop lente. 54% se plaint qu'elle ne puisse pas faire cuire leurs plats préférés, et dans de nombreux cas, la cuisinière ne pouvait pas cuire assez d’aliments pour tous les membres de la famille. 67% ont des doutes au sujet de quitter leurs aliments ou cuisinière sans surveillance et donc ne s'en servaient que lorsqu’ils étaient là.

Dans certaines zones où le four solaire est promu, il y a une véritable pénurie de nourriture et les gens ne veulent pas expérimenter avec si peu d’aliments. La cuisinière est considérée comme un élément très coûteux par plus de 53% des répondants, en particulier parce qu’on ne peut cuisiner que pendant la journée. Dans 7 des 10 domaines du projet visité, le bois de chauffage est disponible gratuitement et il n'est guère intéressant pour les gens d'acheter ou d'utiliser la cuisinière. Des vents forts et de la poussière peuvent perturber la cuisson solaire à certains endroits, bien que cela puisse être résolu en rendant la cuisinière plus robuste.

Les facteurs socio-économiques semblent influencer l'adoption plus que les caractéristiques techniques de la cuisinière. L'enquête a montré que le choix de la méthode de diffusion ou de l'approche a influencé l'adoption. Cela est vrai surtout lorsque le mauvais choix du groupe cible et de la région est faite.

Source: Stephen Gitonga, Practical Action East Africa, Kenya

Références et lectures suggérées

Cette entrée Howtopedia est dérivée de la fiche technique Practical Action Technical Brief Solar Thermal Energy.
Pour voir le document original suivre ce lien: 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.

Cartes de rayonnement solaire: http://re.jrc.cec.eu.int/pvgis/pv/countries/countries-non-europe.htm

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