Comment construire son propre capteur solaire thermique pour tendre vers l’autonomie en eau chaude sanitaire ?

Type de capteur solaire : panneau solaire plan

Le choix du capteur solaire de type plan se justifie pour plusieurs raisons :

• la simplicité en autoconstruction pour un particulier (comparée à un capteur à tube sous vide).
• la performance en termes de rendement optique.

Le capteur solaire thermique est composé :

• d’un coffre – caisson (boitier collecteur)
  
• d’un vitrage pour créer l’effet de serre et protéger l’intérieur du panneau
• d’un absorbeur (cœur du système), de couleur noire pour capter le rayonnement solaire et le transmettre aux tuyaux
• d’un réflecteur ou film réfléchissant
• d’un isolant pour limiter les déperditions thermiques par l’arrière

Exemple de capteur solaire plan type Frisquet CSP2600 parmi les meilleurs du marché.

Une partie du rayonnement solaire qui arrive sur le vitrage du capteur est réfléchie, la majeure partie atteint l’absorbeur. L’absorbeur s’échauffe puis transmet les calories au fluide caloporteur. Le capteur qui s’échauffe émet également un rayonnement vers l’avant et l’arrière du capteur. C’est une perte qu’il faut limiter par une bonne isolation sur l’arrière.

Rendement (voir les explications sur le rendement d’un panneau en bas de l’article)

Rendement global espéré de 40%-50% (pour un irradiance maximale de 1000Watts/m2 au plus fort de la journée et une excellente orientation et inclinaison du panneau). 500 Watts/m2. 4 m2 => 2000W soit 200 litres d’eau par jour.

L’efficacité réelle du panneau dépend des paramètres suivants :

• la puissance du rayonnement solaire (irradiation solaire – généralement 1000 Watts/m2 en France)
• la position du panneau face au soleil, c’est à dire son orientation (SUD)
• l’angle d’incidence du rayonnement solaire sur le panneau (entre 40 et 45° d’angle par rapport à l’horizontale). Le rendement maximal est atteint lorsque le soleil frappe le panneau perpendiculairement. A noter, il y a une perte de transmissivité du vitrage de 5 à 10% lorsque l’angle du rayonnement s’écarte de l’optimal (perpendiculaire). On ne peut pas faire grand chose à cela, excepté l’installation d’un tracker solaire pour suivre le soleil en essayant d’être perpendiculaire en permanence.
  
• le rendement optique du capteur solaire qui découle du facteur d’absorption de l’absorbeur et du facteur de transmission du vitrage. Entre 70% et 85% pour un capteur plan industriel.
  
• les déperditions thermiques à limiter au maximum par une bonne isolation et étanchéité.

En effet, le rendement global du capteur pour un niveau de rayonnement donné et une inclinaison donnée dépend :

• du rendement optique du capteur (sa conception)
• de la température du capteur solaire (de l’absorbeur) et de la température extérieure. La différence de température entre l’absorbeur et la température ambiante extérieure entraine des pertes thermiques. Plus cette différence est importante plus les pertes thermiques le sont.

Aussi il faudra limiter la stagnation de l’eau afin d’évacuer les calories pour que l’absorbeur fonctionne au plus prêt de la température ambiante.

Ensuite on limitera au maximum les pertes thermiques par une excellente isolation.

Positionnement du panneau en fonction de l’angle d’incidence du rayonnement solaire

L’orientation du panneau et son inclinaison face au soleil (angle d’incidence) jouent un rôle important dans la performance.

L’idéal étant une orientation SUD et un angle d’incidence de 40°-45° (en France) par rapport à la surface du sol. PS : si l’angle est de 0° c’est que le panneau est sur un toit horizontal.

Comment éviter la stagnation de l’eau dans le capteur

Le but recherché est d’obtenir une température dans le panneau la plus basse possible (la plus proche de la température ambiante), de prévenir la formation de vapeur dans l’installation afin d’éviter de l’endommager.

La température de l’eau du ballon souhaitée est de 55°-60°C maximum. Aussi, si l’on considère les pertes thermiques liées au transport de l’eau du capteur vers le ballon, il faudrait une température de fonctionnement de 60°C (c’est à dire à basse température). ∆T = T°capteur – T°ambiante extérieure = 60°C-30°C (été) = 30°C, soit un rendement théorique proche de 65%-70%. Pour en savoir plus sur les rendements vous pouvez consulter l’excellent site : https://energieplus-lesite.be

Certains panneaux à tubes sous vide possèdent un système automatique de protection. Dans le cas d’une auto construction, il est important de prévoir une solution auto-vidangeable (par gravité lorsque la pompe est arrêtée et que le soleil est fort), ou de vidange manuelle du fluide caloporteur (dans une zone hors gel ou vidange totale quand il s’agit d’eau). Ainsi, quand la température du ballon (ou du volume à chauffer) est atteinte et que l’on souhaite couper la pompe, on va prévoir un système de vidange. Le réamorçage doit se fait en douceur pour ne pas endommager les capteurs, malgré le circuit vidé.

Contexte du projet (besoin / contraintes) :

Ce projet de construction s’inscrit dans le cadre du chauffage d’un spa (jacuzzi) de 3600 litres. Celui-ci est chauffé par une chaudière à bois de 40 kw afin d’obtenir une eau à 37°C sous 2 heures au cœur de l’hiver. Localisation : Charente maritime (17), France.

Le spa est positionné de telle façon qu’il ne voit pas les rayons du soleil à partir de 16h. Aussi, afin de ne pas devoir allumer la chaudière bois pour quelques minutes d’utilisation du jacuzzi, une énergie de complément (le solaire) a été sélectionnée. Le but est d’apporter 10°C pour passer d’une eau naturellement à 20°C, aux 30°C souhaités.

Comme vu précédemment pour maximiser le rendement et ne pas endommager le système de capteurs solaire, dans le cadre de ce projet, le système va fonctionner en boucle fermée. Toutes les calories des panneaux sont évacuées dans le spa de façon permanente. Le but est de faire fonctionner les panneaux thermiques à basse température ∆T = T°capteur – T°ambiante extérieure = 60°C-30°C (été) = 30°C pour un rendement théorique de 70%. Le débit de la pompe de circulation doit réguler cet objectif.

Fonctionnement de la pompe de circulation : fonctionnement en permanence pendant toute la durée d’exposition solaire, pour maintenir un fonctionnement basse température (et sans danger pour les usagers du spa). Fonctionne de 9h à 16h l’été. Pour une simplicité d’utilisation, un panneau solaire photovoltaïque alimente électriquement la pompe de circulation tant que l’exposition solaire le permet. Du fait de l’exposition solaire spécifique à ce projet,  après 16h il n’y a plus de rayonnement solaire, donc la pompe s’arrête et les panneaux thermiques ne sont plus exposés, donc se refroidissent. La pompe de circulation est munie d’un variateur qui permet d’ajuster le débit de façon empirique en mesurant la température de de fonctionnement du capteur thermique pour s’approcher de 60°C.

Les panneaux sont positionnés à proximité directe du spa, avec une orientation sud et une inclinaison de 45° par rapport à l’horizontale.

Les 4 m2 de panneaux sont positionnés sur le sol pour ne pas avoir à faire de déclaration de travaux et ne pas payer de taxes en respectant la réglementation. Ils peuvent être rangés l’hiver.

Dans le cadre de ce projet, les accessoires suivants sont nécessaires :

• une pompe circulateur en 12v branchée sur l’aspiration d’eau froide (du spa)
• un panneau solaire 12v à placer sur le toit ou dans une zone exposée aux rayons du soleil.

4 m2 de panneaux

irradiance solaire max : 1000Watts/m2 au cœur de l’été

Rendement espéré 50%

soit 500Watts/m2 x 4 = 2000 Watts/m2  et pour 7h de fonctionnement 2kw x 7h =14kwh = environ 3€ d’équivalent électricité EDF par jour.

A raison d’une utilisation par jour (très très surestimé) pendant la période d’été juillet/aout, la durée est de 60 jours. Soit 60×3€/jr=180€/an de budget électrique.

Le budget du projet a été évalué à 500€. Il sera donc rentabilisé après 3 ans de fonctionnement.

Le coffre caisson

Le coffre est en aluminium pour ne pas surcharger inutilement en poids. Il permet facilement d’incorporer l’isolant.

Dimensions : Longueur x largeur (environ 2 m²)

Débit prévu : environ 150 litres/heures/m²

Étanchéité à l’eau de pluie (entre le vitrage et le coffre) par joints EPDM (joint d’étanchéité élastomère).

L’isolant

Laine de roche compressée de 60 mm pour protéger l’arrière du panneau et 20 mm sur les côtés. Limitation au maximum des ponts thermiques.

Le vitrage de façade

Le but du vitrage est de créer un effet de serre en laissant passer un maximum d’infrarouge solaire tout en évitant que l’infrarouge ne ressorte trop du verre. Il faut rechercher une meilleure exploitation des rayons du soleil en toute saison, y compris pour les rayons obliques. On recherche un verre transparent (à faible teneur en fer) dit « basse luminance » qui divise environ par 5 la réflexion comparée à celle d’un verre standard. Il s’agit d’un verre trempé à haute résistance et anti-reflet (anti glare glass en anglais) pour garantir une haute performance d’absorption du fait de la faible luminance (entre 10 000 cd/m² idéalement et 50 000 cd/m²). Son épaisseur est de 3 à 4 mm.

L’absorbeur

Un absorbeur en tôle de d’aluminium fixé sur une grille en tubes de cuivre soudés

Fluide caloporteur

Dans ce projet (voir contexte plus bas) le fluide est l’eau du jacuzzi car il n’y a pas d’échangeur au sein d’un ballon d’eau chaude donc l’eau circule en permanence dans le capteur solaire pour réchauffer le jacuzzi. Aucun glycol ou antigel n’est nécessaire car les tuyaux ont été calorifugés et les conditions météo de la région d’installation ne nécessite pas cette précaution. Dans le cas d’un projet qui impliquerait le faire circuler le fluide via un échangeur dans un ballon de stockage, il faut que le fluide appartienne à la liste « A » des fluides caloporteurs pouvant être utilisés dans les installations de traitement thermique des eaux destinées à la consommation humaine (direction Générale de la Santé (DGS)).

Dans un projet plus global d’autoconstruction pour chauffer l’eau sanitaire d’un ballon solaire le fluide utilisé est en cycle fermé. Aussi, il est préférable d’ajouter un anti-gel à l’eau déminéralisée (pour éviter les dépôts calcaires).

Nettoyage du vitrage. Vidange par gravité en cas de surchauffe ou de mise hors gel.