Le solaire thermique : Différence entre versions

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L'énergie solaire thermique désigne la transformation d'un rayonnement lumineux en chaleur. C'est cette même énergie qui permit le développement de la vie sur Terre, grâce au réchauffement de l'atmosphère et à la photosynthèse. A l'origine utilisée pour allumer des feux sacrés, cette énergie pourrait être une des solutions aux enjeux énergétiques de notre siècle.

Histoire

L'histoire de l'énergie solaire thermique commence en Grèce au VIII^ème av. JC. En effet, lors de la cérémonie d'ouverture des premiers Jeux Olympiques de 776 av. JC, la flamme olympique était allumée par les rayons du soleil à l'aide du skaphia, l'ancêtre du miroir parabolique.^[1]

Archimède et un de ses miroirs ardents

Cette invention du miroir ardent serait réutilisée cinq siècles plus tard par Archimède lors du siège de Syracuse (Sicile). Alors que cette colonie grecque était attaquée par la flotte romaine, la légende veut qu'Archimède ait mis au point des miroirs géants en bronze polis pour réfléchir et concentrer les rayons du soleil afin d'enflammer les voiles des navires romains.

De l'autre côté de l'Océan Atlantique, Inti le dieu soleil des Incas, envoie Manco Cápac, le premier empereur légendaire des Incas. Le culte du soleil devint ainsi très important. A partir du XV^ème siècle, il fait l'objet d'un des rituels les plus populaires: l'Inti Raymi (la résurrection du soleil). Il se déroule dans la capitale Inca Cuzco pendant le solstice d'hiver, le 24 juin, et ce pendant 9 jours durant lesquels les Incas se prêtaient à des danses mais aussi à des sacrifices. A cette occasion, un feu était allumé par le prêtre suprême à l'aide d'un bracelet en or: le chipana.^[2]

En Europe, il faut attendre le XVI^ème siècle et la venue de Léonard de Vinci pour redonner un souffle aux technologies solaires. En 1515, Léonard de Vinci invente un nouveau concentrateur solaire: un système du type CLFR (Compact Linear Fresnel Reflector). Cependant, ce système semble n'avoir existé que sur le papier.

En 1615, Salomon de Gaus construit une pompe solaire. La force motrice était fournie par de l'air chauffé par le rayonnement solaire.

Au XVIII^ème siècle, le miroir ardent de l'antiquité et de l'empire Inca refait surface en France. Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon fait construire en 1747 un miroir composé de 168 glaces planes de six pouces de largeur sur huit de hauteur. Il fait ainsi fondre différents métaux comme l’étain, le plomb et l’argent.^[3]

Le cuiseur solaire d'Antoine Laurent de Lavoisier

Les expériences autour de l'énergie solaire s'enchaînent. En 1774, Antoine Laurent de Lavoisier, chimiste, philosophe et économiste, invente un cuiseur solaire composé de lentilles convergentes afin de fondre des métaux.

Toujours au XVIII^ème siècle, Horace-Bénédict de Saussure met au point en 1774 un instrument de mesure lui permettant d'étudier les effets calorifiques des rayons du soleil, l'hélio thermomètre. Il ressemble à des boites "chaudes" avec des parois isolées et un ou plusieurs vitraux. Horace-Bénédict obtient avec cet appareil une température de 88°C. Cette invention est à la fois l'ancêtre du four solaire et du capteur solaire plan.^[4]

En 1874, le premier distillateur solaire voit le jour à Las Salinas, sur le haut plateau d’Atacama au Chili, qui produit 23 tonnes d’eau douce par jour ensoleillé. Quelques décennies plus tard, le physicien anglais Charles Vernon Boys invente et met en œuvre le premier capteur cylindro-parabolique en 1912. Il crée ainsi la première centrale électrique solaire à Meadi en Égypte, utilisée pour le pompage de l'eau d'irrigation.

Il faudra ensuite attendre la fin de la seconde guerre mondiale pour retrouver de nouvelles avancées dans le domaine du solaire thermique. Le français Félix Trombe a l'idée d'utiliser un projecteur DCA abandonné par les allemands à Meudon (Hauts-de-Seine). En 1946, il le transforme en four solaire et grâce à ses recherches encourageantes, il construit en 1949 un nouveau four solaire à Mont-Louis (Pyrénées-Orientales) d'une puissance de 50kW.

En 1963, l'italien Giovanni Francia et le français Marcel Perrot installent le premier système CLFR (Compact Linear Fresnel Reflector) à Marseille, près de 450ans après son invention par Léonard de Vinci.

Pendant ce temps là, le four de Mont-Louis connaît de bons résultats. Ainsi le gouvernement français construit un four solaire de taille quasi industrielle à Odeillo. Mis en service en 1970, le four solaire d'Odeillo a une puissance de 1MW.

En 1983, EDF et le CNRS construisent Thémis, la première centrale électrosolaire à tour française d'une puissance de 2500 kW. Cependant la politique du tout nucléaire aura raison d'elle, puisqu'elle fermera ses portes 3 années plus tard.

De nos jours, suite aux prises de conscience écologique et au renchérissement des énergies fossiles, les politiques en faveur des énergies renouvelables se sont accentuées sur les 5 continents.

Principe

Le solaire thermique, ou plutôt la conversion photothermique consiste en une transformation directe du rayonnement solaire en chaleur.

Lorsque le rayonnement solaire atteint la surface d'un corps, une partie du rayonnement se réfléchi ou se diffuse, une autre traverse la matière si elle n'est pas opaque, et une troisième partie est absorbée.

Le rayonnement absorbé se transforme en chaleur. Cette énergie se dissipe alors soit par conduction à l'intérieur de la surface, soit par convection en surface, soit par émission d'un rayonnement propre au corps et à sa température.

Les différentes technologies:

Les différents composants d'un capteur plan

Les composants d'un capteur

Un capteur thermique est l'élément qui permet d'absorber le rayonnement solaire pour le transformer en chaleur. Cette chaleur est ensuite transmise à un fluide caloporteur. Un capteur est composé d'un absorbeur, d'un fluide caloporteur, d'une isolation, parfois d'un vitrage et de réflecteurs.

les absorbeurs

L'absorbeur est l'un des éléments les plus importants d'un capteur thermique; il convertit le rayonnement solaire en chaleur.

L'absorbeur se caractérise par deux paramètres:

• le facteur d'absorption solaire α* (ou absorptivité): le rapport du rayonnement lumineux absorbé par le rayonnement lumineux incident;

• le facteur d'émission infrarouge ε (ou émissivité): le rapport entre l'énergie rayonnée dans l'infrarouge lorsque l'absorbeur est chaud et celle qu'un corps noir rayonnerait à la même température.

Dans les applications de chauffage solaire, on cherche à obtenir le meilleur rapport facteur d'absorption solaire / facteur d'émission infrarouge. Ce rapport est appelé sélectivité.

Le matériau constituant l'absorbeur est en règle général en cuivre ou aluminium mais aussi parfois en matière plastique.

Afin d'obtenir un meilleur rendement, certains systèmes sont donc constitués d'un revêtement particulier.

Voici les propriétés de quelques matériaux utilisés comme absorbeurs:^[5]

les fluides caloporteurs

Le fluide caloporteur (ou caloriporteur) permet d'évacuer la chaleur emmagasinée par l'absorbeur et de la transmettre vers là où elle doit être consommée. Un bon fluide caloporteur doit prendre en compte les conditions suivantes:

• être chimiquement stable lorsqu'il atteint une forte température, en particulier lors de la stagnation du capteur;

• posséder des propriétés antigel en corrélation avec les conditions météorologiques locales;

• posséder des propriétés anticorrosives selon la nature des matériaux présents dans le circuit capteur;

• posséder une chaleur spécifique et une conductivité thermique élevées afin de transporter efficacement la chaleur;

• être non-toxique et avoir un faible impact sur l'environnement;

• avoir une basse viscosité afin de faciliter la tâche de la pompe de circulation;

• être facilement disponible et bon marché

Le bon compromis par rapport à ces critères est un mélange d'eau et de glycol (utilisé dans le liquide de refroidissement des automobiles), même s'il n'est pas rare de trouver des systèmes fonctionnant à l'eau pure ou tout simplement à l'air selon l'utilisation.

le vitrage

Le vitrage permet de protéger l'intérieur du capteur contre les effets de l'environnement et d'améliorer le rendement du système par effet de serre.

Si l'on souhaite un vitrage efficace, il doit posséder les propriétés suivantes:

• réfléchir le rayonnement lumineux au minimum quelle que soit son inclinaison;

• absorber le rayonnement lumineux au minimum;

• avoir une bonne isolation thermique en gardant le rayonnement infrarouge au maximum;

• résister dans le temps aux effets de l'environnement (pluie, grêle, rayonnement solaire,...) et aux grandes variations de températures.

Les principaux vitrages utilisés pour les capteurs thermiques sont à base de verre non-ferrugineux ou en verre acrylique, et souvent dotés d'un revêtement anti-reflet.

les isolants thermiques

L'isolant thermique permet de limiter les déperditions thermiques, sa caractéristique est le coefficient de conductivité; plus il est faible meilleur est l'isolant. Les principaux matériaux utilisés pour les capteurs thermiques sont la laine de roche et de verre, des mousses de polyuréthane ou encore de la résine de mélamine. On retrouve parfois des isolants plus naturels.

Quelques isolants utilisés pour les capteurs thermiques^[6]:

Dans le cas des capteurs thermiques vitrés, il est aussi intéressant de remplacer l'isolation entre la vitre et l'absorbeur par.. de l'air! En effet, l'air a un grand pouvoir d'isolation, il est ainsi utilisé dans le double vitrage. Toujours dans l'objectif d'obtenir de meilleurs rendements, certains fabricants utilisent d'autres gaz comme l'argon ou le xénon, et lorsque cela est possible, on préférera même utiliser.. le vide!

Voici les coefficients d'isolation de gaz utilisés comme isolants^[7]:

les réflecteurs

Le réflecteur a pour fonction de diriger le rayonnement, qui autrement n'atteindrait pas l'absorbeur. Il est en général utilisé pour atteindre des températures très élevées ou utilisé pour certains systèmes comme les collecteurs à tubes sous vides.

Les réflecteurs, pour être efficaces, doivent posséder les propriétés suivantes:

• réfléchir au maximum le rayonnement lumineux;

• absorber au minimum le rayonnement lumineux;

• être parfaitement lisses afin d'éviter l'accumulation de la saleté;

• résister dans le temps aux effets de l'environnement (pluie, grêle, rayonnement solaire,...);

• dans certaines applications, résister aux variations de température.

Le réflecteur est souvent utilisé dans le but de concentrer les rayons lumineux, il a donc une géométrie particulière qui peut être:

• Cylindro-parabolique: cette géométrie permet une focalisation linéaire, elle est utilisée dans le cas des collecteurs à tubes sous vides ou les centrales solaires thermiques de type Luz.

• Sphérique: le réflecteur sphérique concentre le rayonnement solaire sur un foyer linéaire mobile porté par un rayon de la sphère orienté en direction du Soleil.

• Parabolique: c'est le type de géométrie le plus utilisé. Il permet de concentrer les rayons lumineux en un point pour obtenir de très hautes températures. Il est souvent utilisé dans le cas des cuiseurs solaires ou couplé à un moteur Stirling.

• Plan: le réflecteur plan est en général mobile afin de suivre le Soleil, on parle alors d'héliostat plan. Ce système est utilisé dans le cas des centrales solaire thermique à tour ou couplé à un miroir parabolique comme dans le cas des fours solaires de type Odeillo.

Les capteurs plans

Le capteur plan reste la technologie la plus simple et la plus utilisée. On retrouve deux types de capteurs plans: avec vitrage et sans vitrage.

• Le capteur plan vitré est constitué d'une caisse isolée couverte par un vitrage. A l'intérieur, on retrouve l'absorbeur dans lequel circule le fluide caloporteur. Le vitrage bloque le rayonnement infrarouge et isole la lame d'air au dessus de l'absorbeur pour garde la chaleur.

• Le capteur plan non vitré est moins répandu, il est seulement constitué d'un absorbeur dans lequel circule le fluide caloporteur. Très dépendant de la température extérieure, il est en général utilisé en été pour chauffer l'eau des piscines.

Les collecteurs à tubes sous vide

Le capteur à tubes sous vide fonctionne aussi bien en été qu'en hiver. Il est constitué d'une série de tubes transparents sous vide qui isolent la chaleur de l'absorbeur. Ce type de capteur permet d'atteindre des températures plus élevées et cela plus rapidement.

Avantages des tubes sous vide:

• température de fonctionnement plus élevée;
• déperdition de chaleur réduite.

Inconvénients des tubes sous vides:

• contraintes thermiques sur les matériaux importantes;
• coûts plus élevés.

Il existe différents types de collecteurs à tubes sous vides:

• à flux direct: dans ce type de capteur, le fluide caloporteur circule à l'intérieur de l'absorbeur, permettant ainsi un rendement élevé.

• à caloduc: dans les tubes sous vide à caloduc, l'absorbeur contient un liquide vaporisé sous vide partiel. Cette vapeur chauffée se condense dans un condenseur et retourne sous forme liquide dans l'absorbeur. Le condenseur, lui s'occupe de transférer la chaleur au fluide caloporteur. Ce système nécessite une inclinaison minimale du tube absorbeur.

• de type "Sydney" / CPC: le tube "Sydney" se caractérise par un tube de verre à double paroi pour éviter une perte du vide. La surface absorbant est située sur le tube de verre intérieur. L'arrondi du tube nécessite l'utilisation d'un réflecteur pour utiliser toute la surface de l'absorbeur, d'où son appellation de tube CPC (Concentrateur parabolique composé).

Les applications

Chauffage de l'eau sanitaire

Le chauffage de l'eau sanitaire est l'une des technologies solaires les plus accessibles aux particuliers. Le principe est simple: des capteurs thermiques transforment le rayonnement lumineux en chaleur. Le fluide caloporteur circule dans les capteurs thermiques et transporte la chaleur jusqu'à l'eau sanitaire stockée dans un ballon. Bien entendu, plusieurs systèmes permettent de chauffer l'eau sanitaire, avec pour chacun ses avantages et ses inconvénients.			Chauffe-eau solaire individuel avec chauffage d'appoint.
Le chauffe-eau monobloc est le système le plus simple. Le capteur thermique et le ballon forme un seul ensemble. L'eau sanitaire circule directement dans les capteurs thermiques; une fois chauffée, l'eau devient moins dense et monte dans le ballon situé légèrement au dessus du capteur.	Schéma du chauffe-eau monobloc	Le chauffe-eau à thermosiphon reprend le même principe que le chauffe-eau monobloc à la différence que le ballon est séparé des capteurs thermiques. On peut alors installer le ballon à l'intérieur tant qu'il reste plus haut que les capteurs thermiques.	Schéma du chauffe-eau à thermosiphon
Le chauffe-eau à circulation forcée utilise un fluide caloporteur qui ne craint pas le gel. Le fluide est chauffé à l'intérieur des capteurs thermiques et transporte la chaleur dans le ballon à travers un échangeur, évitant ainsi un mélange avec l'eau sanitaire. Une fois refroidi, le fluide retourne dans les capteurs thermiques avec l'aide d'une pompe.	Schéma du chauffe-eau à circulation forcée	Le chauffe-eau à autovidange a la capacité de vider les capteurs thermiques lorsqu'ils sont sujets aux risques de gel. Le ballon est toujours situé plus bas que les capteurs thermiques: lorsque le soleil ne chauffe plus, la circulation de l'eau s'arrête et le circuit se vidange automatiquement. Lorsque le soleil réapparaît, la circulation se remet en route.	Schéma du chauffe-eau à autovidange en fonctionnement
Le chauffe-eau couplé à une chaudière d'appoint est utilisé pour des raisons de confort et cela quel que soit le type de chauffe-eau solaire. En effet, ce serait dommage de prendre des douches froides en hiver. De même qu'il existe plusieurs types de chauffe-eau solaire, il existe plusieurs manières de coupler le système à une chaudière d'appoint.	Schéma du chauffe-eau à circulation forcée avec chaudière d'appoint

Chauffage de l'eau de piscine

Le chauffage de l'eau de piscine se fait en période estival, période durant laquelle le risque de gel est négligeable. Les capteurs thermiques utilisés sont des capteurs sans vitrage qui nécessitent moins de maintenance, ils sont performants pendant cette période, et surtout sont moins coûteux. L'eau de la piscine est pompée jusque dans l'absorbeur où elle est chauffée, puis retourne dans la piscine. Le système peut également être couplé à un chauffage d'appoint, apportant ainsi plus de confort.

Avantages:

• moins coûteux que des capteurs vitrés;
• peu d'entretiens.

Inconvénients:

• grande surface de capteurs;
• nécessite un traitement chimique de l'eau (régulation du pH, désinfection au chlore...).

Chauffage de locaux

Le chauffage de locaux à partir de capteurs solaires n'est pas encore très développé même si l'évolution des normes d'isolation des bâtiments peuvent rendre cette technologie plus attractive. Le principal frein est que l'on a principalement besoin de chauffage en hiver, période durant laquelle l'ensoleillement est réduit. Il existe trois manière de chauffer un local par l'énergie solaire thermique: par des radiateurs conventionnels, par une ventilation à air chaud ou par un plancher chauffant.

Le chauffage par radiateurs conventionnels fonctionne très similairement à un chauffage d'eau sanitaire. Des capteurs thermiques transforment le rayonnement lumineux en chaleur, le fluide caloporteur circule dans les capteurs thermiques et transporte la chaleur jusqu'à l'eau de chauffage stockée dans un ballon. Ensuite l'eau chaude circule à l'intérieur de radiateurs conventionnels.	Schéma du chauffage par radiateurs conventionnels
Le chauffage par ventilation à air utilise directement l'air au lieu de passer par un fluide caloporteur liquide. Un système de ventilation aspire l'air extérieur à travers des capteurs thermiques perforés. L'air chaud est ensuite stocké à l'intérieur d'une masse importante de matériaux solides comme des galets, avant d'être restitué dans le local.	Schéma du chauffage par ventilation à air
Le chauffage par plancher chauffant fonctionne de la même manière qu'un chauffage par radiateurs conventionnels à la différence qu'un circuit intégré dans le plancher remplace les radiateurs. Ce système a le principal avantage de fonctionner à une température plus faible.	Schéma du chauffage par plancher chauffant

Climatisation

La climatisation solaire est en parfaite corrélation avec l'énergie solaire exploitable. C'est dans les pays les plus ensoleillés que l'on a le plus besoin de froid. On utilise l'énergie thermique comme énergie de base pour la production de froid à l'aide de systèmes conventionnels. Il existe deux types de systèmes de réfrigération, les systèmes ouverts (réfrigérateur à absorption et à adsorption) et les systèmes fermés.

Le réfrigérateur à absorption, comme son nom l'indique utilise les propriétés absorbante de certaines fluides. En général on utilise les couples de fluides réfrigérant/absorbant: ammoniac/eau et eau/bromure de lithium. Le système est composé des éléments suivants: un bouilleur: la solution réfrigérant/absorbant est chauffée par l'énergie solaire, le réfrigérant s'évapore sous une pression élevée; un condenseur: le réfrigérant y perd de la chaleur; un détendeur: le fluide réfrigérant voit sa pression baissée avant de passer à l'évaporateur; un évaporateur: le réfrigérant une fois à basse pression est absorbé dans la solution appauvrie en provenance du bouilleur; une pompe: la solution enrichie en réfrigérant est transportée jusqu'au bouilleur.	Schéma d'un réfrigérateur à absorption
Le réfrigérateur à adsorption utilise le silicagel, un déshydratant écologiquement neutre qui a la propriété d'avoir un pouvoir réfrigérant en absorbant de l'eau. Le système est composé des éléments suivants: un ensemble de chauffage et de stockage d'eau: l'eau est chauffé par les capteurs thermiques puis stockée dans un ballon. une tour de refroidissement: la tour évacue l'énergie produite par le réfrigérateur à adsorption. un réfrigérateur à adsorption: système clé, il se compose d'un récipient sous vide, subdivisé en quatre chambres. un ensemble de stockage et d'émission du froid: une fois refroidie, l'eau est stockée dans un ballon puis transmise vers le lieu de consommation.	Schéma d'un réfrigérateur à adsorption
La climatisation par sorption est basée sur le principe du refroidissement par évaporation, avec une déshydratation en amont afin d'améliorer le pouvoir de réfrigération.	Schéma d'une climatisation par sorption

Systèmes combinés eau chaude + chauffage

Les systèmes combinés eau chaude + chauffage ont l'avantage d'utiliser les mêmes types de capteurs thermiques. Un fluide caloporteur est chauffé dans ces capteurs puis transmet la chaleur jusqu'au système de stockage. La grande différence entre l'eau utilisée pour l'eau chaude et celle pour le chauffage est qu'elles n'ont pas la même température. Il existe deux grandes solutions à ce problème: le double système de stockage et le système de stockage combiné.

Types de systèmes combinés	Schémas
Le double système de stockage utilise comme son nom l'indique deux chauffes-eau; l'un pour l'eau chaude, l'autre pour le chauffage. Le fluide caloporteur chauffé par les capteurs est régulé vers l'eau sanitaire ou le chauffage selon les besoins; et un chauffage d'appoint est connecté aux deux chauffes-eau afin d'atteindre la température voulue.	Schéma d'un double système de stockage
Le système de stockage combiné a la particularité de n'utiliser qu'un seul chauffe-eau. L'eau chaude solaire en sortie de chauffe-eau est mélangée à de l'eau froide pour son utilisation sanitaire. Pour ce qui est du chauffage, le système est plus complexe: lorsque la température de retour du chauffage est vraiment inférieure à celle du chauffe-eau, alors elle passe par le chauffe-eau puis par une chaudière d'appoint avant de retourner dans le système de chauffage. Lorsque l'eau de retour de chauffage est encore assez chaude, elle passe directement par la chaudière d'appoint avant de retourner dans le système de chauffage afin d'éviter de chauffer inutilement le chauffe-eau.	Schéma d'un système de stockage combiné

Production d'électricité

Centrale solaire thermique

Les centrales solaires thermiques utilisent les rayons lumineux du Soleil afin de les transformer en énergie thermique puis en électricité à l'aide d'une turbine.

Cette transmission suit le principe de Carnot et nécessite donc d'élever au maximum la température afin d'avoir le meilleur rendement possible.

Il existe cinq grands types de centrales solaires thermiques: les centrales à réflecteurs cylindro-paraboliques, les centrales à tours, les centrales à réflecteurs paraboliques, les centrales à effet de cheminée, les centrales à miroir de Fresnel.

Les centrales à réflecteurs cylindro-paraboliques utilisent comme son nom l'indique des réflecteurs cylindro-paraboliques pour concentrer le rayonnement lumineux vers un tube dans lequel un fluide est chauffé fortement. Ce fluide va permettre de produire de la vapeur à haute pression afin d'alimenter une turbine qui générera de l'électricité. Exemple: Nevada Solar One[8] Année de construction: 2007 Puissance: 64 MW Surface des réflecteurs: 476 840 m2	Réflecteurs cylindro-paraboliques de la centrale Nevada Solar One
Les centrales à tours sont composées d'un grand nombre d'héliostats dirigeant le rayonnement lumineux vers un récepteur central situé au sommet de la tour. L'énergie absorbée par le récepteur permet de chauffer un fluide jusqu'à le transformer en vapeur à haute pression, alimentant ainsi une turbine qui génère de l'électricité. Exemple: Thémis[9] Année de construction: 1983 Puissance: 2,5 MW Nb d'héliostats: 201	La centrale à tour Thémis
Les centrales à réflecteurs paraboliques sont composés d'un réflecteur parabolique mobile qui concentre le rayonnement lumineux vers un récepteur situé au foyer de la paraboloïde. L'énergie absorbée est récupérée par un moteur Stirling afin de générer de l'électricité. Exemple: Système Parabole-Stirling d'Odeillo[10] Année de construction: 2004 Puissance maximale: 11 kW Diamètre du mirroir: 8,5 m	Le système Parabole-Stirling d'Odeillo
Les centrales solaires à effet de cheminée sont composées d'une base jouant le rôle de chauffer de l'air par effet de serre et d'une cheminée dans laquelle l'air chauffé actionne une turbine, produisant ainsi de l'électricité. La base est formée d'une couverture transparente située à quelques mètres du sol. De l'air s'infiltre en dessous de la couverture et est chauffé par effet de serre. La différence de température entre la base et le haut de cheminée crée une aspiration de l'air chaud vers le haut. A l'instar des éoliennes, l'air ascendant fait tourner une turbine située à l'intérieur de la cheminée. Une variante encore restée au stade de projet, vise à échanger la cheminée par un édifice naturel: les pans de montagnes. Exemple: Manzanares[11] Année de construction: 1982 Puissance maximale: 50 kW Surface du collecteur: 46.000 m2	La centrale solaire de Manzanares
Les centrales à miroir de Fresnel, appelées aussi centrales Compact Linear Fresnel Reflector (CLFR), fonctionnent de la même manière qu'une centrale à réflecteurs cylindro-paraboliques à la différence que les réflecteurs sont plans et en plus grand nombre. Chaque réflecteur plan est autonome et orientable selon un axe afin de diriger le rayonnement lumineux vers le tube dans lequel circule le fluide caloporteur. Exemple: Kimberlina[12] Année de construction: 2008 Puissance maximale: 5 MW Surface des réflecteurs: 8663 m2	La centrale CLFR de Kimberlina

Générateur solaire thermoélectrique

Le phénomène thermoélectrique est un phénomène méconnu du grand public. Lorsque deux métaux soudés entre eux ont une différence de température, une différence de potentiel se crée. En fermant le circuit, il se forme alors la circulation d'un courant.

Le générateur solaire thermoélectrique utilise l'énergie du soleil comme source chaude.

Cuisson

Le four solaire

Four solaire à réflecteurs extérieurs

Le four solaire permet de cuire des aliments par effet de serre. Il est formé d'une boîte dont l'intérieur est tapissé de réflecteurs et d'une couverture transparente sur le dessus. Le rayonnement pénètre à l'intérieur de la boîte et est réfléchi sur un récipient dont la surface absorbe les rayons. La couverture transparente permet d'isoler l'intérieur du four de l'extérieur et de piéger le rayonnement infrarouge afin de garder le maximum de chaleur.

Le four solaire a donc un grand avantage: n'utiliser que le Soleil comme combustible. Les ONG diffusent depuis quelques années ces fours dans des pays ensoleillés et sujets à une forte déforestation comme en Madagascar ou en Bolivie.

La principale difficulté de sa généralisation reste d'ordre culturel. De même qu'en Afrique, il est difficile de demander à un européen de remplacer son barbecue par un four solaire. Malgré cela, de nombreux amateurs de la cuisson solaire ont été séduits par ce concept et ont développé différents types de fours solaires:

• le four solaire Ulog
• le Sunoven
• le Sun cook

Le cuiseur solaire

Cuiseur solaire à réflecteur parabolique

Le cuiseur solaire permet de cuire des aliments par concentration des rayonnements lumineux. Il est généralement composé d'un réflecteur parabolique concentrant le rayonnement lumineux vers un récipient dont la surface absorbe les rayons.

En général, le cuiseur solaire permet d'obtenir une température plus élevée et cela plus rapidement qu'un four solaire. Par contre, il est plus sensible au manque de Soleil et doit être réorienté plus fréquemment.

De même que les fours solaires, le cuiseur fait de nombreux adeptes et est décliné sous plusieurs formes:

• le cuiseur parabolique SK 14
• le cuiseur Papillon
• le cuiseur Scheffler
• le HotPot

Le séchoir solaire

Le séchoir solaire permet de déshydrater les aliments à l'aide d'un air séché et chauffé par le soleil. Il est généralement constitué d'un collecteur solaire et d'une chambre où les aliments sont disposés sur des grilles. Le rayonnement va chauffé et sécher l'air qui circule par le collecteur solaire, cet air va ensuite entrer dans la chambre et déshydrater les aliments.

Le séchage solaire a pour avantage de conserver les aliments tout en gardant une majorité des éléments nutritifs, seules les vitamines B et C sont majoritairement perdues. Correctement stockés, les aliments se conservent entre 6 et 12 mois sans baisse de la qualité.

Habituellement, les fruits et légumes sont séchés directement au soleil. Mais en hiver, il est trop faible et l'humidité de l'air est trop important. Autrefois, on utilisait alors des séchoirs alimentés au bois et à d'autres énergies fossiles. Les séchoir solaire apparaît alors comme une solution non polluante. Souvent artisanaux, le séchoir peut se décliner sous différentes formes :

• le séchoir solaire Ulog
• le séchoir solaire en tunnel
• le séchoir solaire Alsol

Distillation solaire

La distillation solaire est un procédé qui permet d'obtenir de l'eau douce à partir d'eau de mer ou d'une eau saumâtre.

Plusieurs procédés fonctionnent sur la base du solaire thermique:

• la distillation solaire par effet de serre : de l'eau disposée dans un chassis fermé et exposé au soleil est chauffée par effet de serre. La face intérieure de la vitre inclinée se parsème de gouttes d'eau provenant de la condensation. Les gouttes glissent ensuite par gravité jusqu'à une gouttière.

• la distillation thermique avec chaudière solaire : l'eau est directement vaporisée par détentes successives. La vapeur d'eau purifiée est alors distillée par des évaporateurs.

La recherche

En France

La recherche française en énergie solaire thermique est concentrée autour de deux grands pôles: en région Languedoc-Roussillon avec l'unité PROMES du CNRS, et en région Rhône-Alpes avec l'INES.

Le laboratoire PROMES (PROcédés, Matériaux et Énergie Solaire) travaille principalement au développement de connaissances scientifiques et d'innovations technologiques dans le domaine de la conversion et de l'utilisation de l'énergie solaire en particulier l'énergie solaire concentrée. Il est doté des plus grandes installations à concentration françaises dont le four solaire d'Odeillo et la centrale à tour Thémis.

L'INES (Institut National de l’Énergie Solaire) développe quant à lui toutes les voies d'optimisation des systèmes solaires thermiques domestiques, que ce soit pour le chauffage, le froid solaire et la production d'eau chaude.

A l'étranger

Tout comme en France, la recherche internationale en énergie solaire thermique est réalisée par les centres de recherche nationaux, mais aussi par certaines entreprises privées. L'ensemble de ces centres de recherche nationaux sont regroupés autour de programmes de recherche en commun. On peut noter l'alliance européenne SolLab et le réseau de coopération international SolarPACES.

Parmi les centres de recherche de renommée international, on retrouve:

• la DLR (Allemagne)
• le NREL (The National Renewable Energy Laboratory - États-Unis)
• le CIEMAT (El Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas - Espagne)
• la CISRO (The Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation - Australie)
• le WIS (The Weizmann Institute of Science - Israël)

États des lieux

En France

L'énergie solaire thermique était utilisée en France et dans ses DOM-TOM bien avant l'arrivée du photovoltaïque. La mise en place du crédit d'impôt et d'aides financières en 2005 à permis comme le photovoltaïque, une montée en puissance des installations jusqu'en 2008. Dès 2009, le marché annuel du solaire thermique est resté stable avant d'accuser une baisse de près de 25 % des surfaces installées en 2013. Fin 2013, le parc cumulé métropolitain était de 1 585 Mwth. Ce parc correspond à 2 264 700 m² de capteurs thermiques soit près de 730 000 logements^[13][14].

En 2013, plus de la moitié de la surface de capteurs thermiques installée a servi à alimenter des installations collectives , le reste est partagé entre les chauffes-eau solaires individuels (CESI) et les systèmes solaires combinés (SSC).

Le marché français du solaire thermique en 2012 est estimé à un chiffre d'affaire de près de 500 millions d’euros^[15]. Malgré cela, la puissance solaire thermique installée en France est encore faible par rapport à ses voisins allemands, grecs ou autrichiens. Cependant, les mesures du Grenelle de l'Environnement prévoit de combler ce retard avec son objectif ambitieux d'équiper 4,2 millions de logements d'ici 2020 correspondant à une puissance de 2 GWth. Le marché français de l'énergie solaire thermique mobiliserait ainsi 48 000 emplois.

A l'étranger

Fin 2011, on comptait déjà 234,6 GW_th d'énergie solaire thermique installée aux quatre coins du globe, près de 5 fois plus que l'énergie photovoltaïque à la même période! La majorité de la puissance est installée en Chine avec près de 152,2 GW_th^[16].

Le parc mondial de capteurs thermiques est composé pour 62,3% de capteurs à tubes sous vide, 27,9% de plans vitrés, 9,2% de capteurs plans non vitrés et seulement 0,7% de capteurs à air.

Le marché mondial croît régulièrement chaque année en particulier grâce aux installations de capteurs à tubes en Chine. Elles représentent à elles seules 65 % de la puissance installée en 2011. Cet engouement chinois explique la forte croissance du parc solaire thermique mondiale puisqu'il a été multiplié par six entre 2000 et 2011.

Les entreprises

Les fabricants

Collecteurs à tubes sous vide

D'autres producteurs de collecteurs à tubes sous vide (par région):

Capteurs plans

D'autres producteurs de capteurs plans (par région):

Les installateurs

Liens

Notes et références

1. ↑ The Olympic Museum, 2nd edition 2007 - The Olympic flame and torch relay :[1]
2. ↑ Er. Nordenskiôld, Journal de la Société des Américanistes, Miroirs convexes et concaves en Amérique, Tome 18, 1926. p. 103 : [2]
3. ↑ M. de Buffon, Mémoire de l'Académie royale des sciences, Invention de miroirs ardents, pour brusler à une grande distance, 1747, imprimé en 1751. pp. 82-101 : [3]
4. ↑ Horace-Bénédict de Saussure, Voyages dans les Alpes, précédés d'un essai sur l'histoire naturelle des environs de Genèves, 1786, Chap. 35, Paragraphe 932 : [4]
5. ↑ Review of Mid- to High-Temperature Solar Selective Absorber Materials - C.E. Kennedy - NREL/TP-520-31267 (Juillet 2002):[5]
6. ↑ Isolation par comprendrechoisir.com - les différents types d'isolant thermique:[6]
7. ↑ Christian Schittich, Didier Debord, Construire en verre, PPUR presses polytechniques, 2001 ISBN:2-88074-474-1, p. 119 : [7]
8. ↑ ACCIONA North America - Nevada Solar One:[8]
9. ↑ Histoire du Rousillon - Thémis, Centrale solaire à tour de Targasonne:[9]
10. ↑ DishStirling à Odeillo - EuroDish:[10]
11. ↑ Tour Solaire - Cheminée Solaire à air chaud ascendant:[11]
12. ↑ Areva - Kimberlina CLFRSolar Thermal Power Plant:[12]
13. ↑ ESTIF - 2012 European Solar Thermal Market:2012 European Solar Thermal Market
14. ↑ Uniclima - Bilan 2013 et perspectives 2014 du génie climatique:[13]
15. ↑ Les Echos – 14 janvier 2013 - Le solaire thermique rebondit grâce aux aides et à la RT 2012 : [14]
16. ↑ IEA SHC - Solar Heat Worldwide 2013:[15]
17. ↑ Solrico - World Map of vacuum tube collector manufacturers 2013 :[16]
18. ↑ Solrico - World map of flat plate collector manufacturers 2013:[17]