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La puissance rayonnée par le soleil est énorme et  "inépuisable" à l'échelle humaine. Jugez plutôt: la quantité d'énergie reçue continuellement par la terre (au niveau du sol) correspond à 10'000 fois la puissance moyenne consommée par l'ensemble des habitants de notre planète!

L'énergie solaire au sol disponible annuellement en suisse varie entre 900 et 1600 kWh/m2, suivant la région. Cette valeur dépend de la latitude, de l'orientation et surtout de la météo locale.

 

Carte pour l'ensemble des régions alpines:

 

Les technologies liées au "solaire thermique"  se proposent de récupérer l'énergie de rayonnement directement sous forme de chaleur.  Le "solaire passif" en est l'expression la plus élémentaire puisqu'il s'agit d'optimiser la conception architecturale et utiliser au mieux les matériaux vitrés et isolants afin de profiter au maximum de l'ensoleillement d'un bâtiment.

Au-delà de cette approche "passive" il existe de nombreux systèmes permettant de capter l'énergie solaire à l'aide de panneaux parcourus par un fluide caloporteur. Actuellement la chaleur ainsi récupérée sert  au chauffage de l'eau sanitaire ou encore comme à point pour le chauffage d'un bâtiment.


Schéma de fonctionnement des capteurs solaires thermiques

 

 Il faut encore mentionner le cas des centrales électriques qui utilisent le solaire thermique. La chaleur emmagasinée dans le fluide caloporteur est utilisée pour faire marcher des turbines. Il existe de nombreuses variantes dont le système qui utilise des paraboles pour concentrer le rayonnement sur la partie chaude d'un moteur de Stirling. Les centrales solaires thermiques visent une technologie encore en développement et leur viabilité n'est pas encore définitivement prouvée.

Puissances totales:
Reçue en permanence au sommet de l'atmosphère :   1,7 * 1017
Au niveau du sol:    0.8 * 1017 W

Rayonnement horizontal:
Moyenne pour la Terre:  185 W/m2
Genève: moyenne 140 W/m2  (juillet 250 W/m2,  décembre 40 W/m2)

Comparatif:
Chaque mètre carré de capteur solaire économise environ 80 litres de mazout par an.

Rendement énergétique:
35 à 50%  de l'énergie solaire incidente est transformée en chaleur.

Coût du kWh:
Produit par une  installation solaire thermique: ~0.10  €

Stockage saisonnier:
Capacité thermique du sol: ~ 2,5 KJ / m3 de terre
Capacité thermique de l'eau: ~ 5 KJ / m3 d'eau

Historique

C'est en 1866 qu' Augustine Mouchot présentait la première machine à vapeur solaire. Il utilisait alors un réflecteur parabolique pointé vers l'astre du jour pour capter le rayonnement. En 1913  Frank Shuman développait en Egypte des puits actionnés à l'aide de machines à vapeur solaires. La découverte de l'or noir au Moyen-Orient (1920) a stoppé net les développements  prometteurs de ces "machines" solaires dérivées de la technologie de la vapeur. Il faut attendre la seconde moitié du 20ème siècle pour voir des projets nationaux (essentiellement américains, puis espagnols) relever le défi de l'énergie solaire, en particulier pour la production d'électricité (voir ci-dessous).

Capteurs solaires domestiques

Il existe de très nombreux types de capteurs solaires, du simple serpentin de cuivre sur fond noir aux systèmes tubulaires évacués et muni de réflecteurs internes.  tous sont composés d'une isolation vitrée et d'un absorbeur qui transmet la chaleur à un fluide caloporteur, généralement du glycol (antigel). Le circuit comportes des vannes, une pompe de circulation, un vase d'expansion (pour permettre la dilatation du fluide en fonction de la température) et un réservoir accumulateur pour stocker la chaleur.

Rendement des capteurs solaires

L'énergie générée par un système solaire thermique dépend principalement de l'ensoleillement sur le panneau, de son orientation et de ses caractéristiques (efficacité, isolation, utilisation).  De nombreuses données spécifiques sont nécessaire pour estimer l'apport énergétique d'un système particulier, cependant en première approximation on donne entre 300 et 700 kWh par m2 et par année.

Pour quelques explication sur les courbes de rendement des collecteurs thermiques voir notre article à ce sujet.

Electricité issue du solaire thermique

De nombreuses technologies ont été, et sont encore, testées afin d'exploiter industriellement les ressources solaires.  Les variantes concernent le type de collecteurs (mobiles ou fixes),  l'utilisation (ou non) de fluides caloporteurs, le type de "machines thermiques" transformant la chaleur en électricité (turbines à vapeur, moteurs de stirling,...), avec récepteur central (Power Tower) ou focalisation sur une ligne ou un point. Globalement on peut résumer les résultats de ces programmes de recherche par les observations suivantes:

  • Pour les systèmes à focalisation linéaire la machine la plus adaptée est le moteur de Stirling
  • Pour les systèmes  distribués à collecteurs paraboliques (chaque parabole accueillant une machine thermique en son point focal) le moteur de Stirling s'avère également le meilleur choix
  • Pour les systèmes à focalisation centrale (Power Tower) la concentration de puissance est bien plus élevée, redonnant l'avantage aux turbines à vapeur et systèmes combinés.

Finalement on peut encore relever que l'énergie solaire thermique a un avantage important sur le photovoltaïque: la possibilité de stocker l'énergie à court et moyen terme sous forme de chaleur. C'est un stockage à moindre frais lorsque qu'il s'agit de centrales industrielles comparé à un stockage "électrique".

Stockage Thermique

L'énergie solaire thermique peut être stockée à moyen terme (stockage journalier) ou à long terme (stockage saisonnier) afin d'utiliser au maximum l'ensoleillement sur un système de panneaux. Cependant le stockage thermique représente un investissement qui est rentable seulement si le système de stockage est suffisamment grand pour limiter les pertes thermiques. La chaleur est alors conservée dans la roche, un réservoir d'eau ou à même le sol par l'intermédiaire de puits forés.

Fours solaires

A l'image de la loupe avec laquelle on enflamme un feuille de papier en ajustant le point focale sur la feuille, la concentration du rayonnement par des miroirs permet d'obtenir une température très élevée. Le principe est appliqué à différentes échelles, du petits four de camping (support de cuisson placé au foyer d'une parabole ou une demi-sphère) aux gigantesques fours solaires de 1000 kW qui atteignent une température de 3800°C.