Les panneaux solaires thermiques

Nous allons passer en revue les éléments qui permettent de déterminer le type et la surface des panneaux solaires thermiques.

Un panneau solaire thermique est aussi appelé capteur solaire.

Les types de panneaux

Il existe différents types de panneaux :

Les panneaux ‘échelle’ ou ‘harpe’

Ce sont des panneaux disposant d’un tuyau collecteur en haut et d’un tuyau collecteur en bas, les deux étant reliés par des drains soudés à une feuille généralement en aluminium qui collecte et leur transmet la chaleur. C’est la forme du réseau des drains et collecteurs qui a amené à les appeler ‘échelle’. Ces panneaux s’accouplent très facilement, ce qui est un avantage pour les installations importantes.

Les panneaux  ‘méandre’

Dans ces panneaux, un seul tuyau serpente à l’arrière de la feuille collectrice.

Ces panneaux s’accouplent en série, le fluide les traversant successivement. Il sont moins onéreux à fabriquer et moins pratiques à installer sur de grandes installations.

Les panneaux à tubes sous vide

Ces capteurs son composés de plusieurs tubes à l’intérieur desquels sont disposé de petits collecteurs. Le vide procure une bonne isolation et donc une bonne performance, largement utilisée comme argument commercial. Dans la pratique, cette performance est ramené à celle des capteurs plans en raison de la surface effective du collecteur : elle est largement inférieure à la surface occupée par les tubes. Ces solutions paraissent plus compliquées à mettre en œuvre que les panneaux plans (perte de vide, casse de tubes, antigel spécifique, problèmes liés aux hautes températures, accumulation de neige/glace en montagne …). Nous avons décidé de ne pas les distribuer.

Les PVT : panneaux combinés thermiques/photovoltaïques.

Ces panneaux sont en fait des panneaux photovoltaïques équipés de récupérateurs de chaleur à l’arrière. La fonction thermique a été ajoutée à l’origine pour améliorer la performance photovoltaïque. Lorsqu’on souhaite faire de l’eau chaude sanitaire, il est nécessaire que la température du panneau soit suffisamment haute, donc les fabricants isolent la face arrière du panneau, ce qui est contraire à l’objectif initial.

Très adaptés pour travailler à basse température, par exemple en chauffage de piscine (pas d’isolation ajoutée) ou de plancher chauffant (là, on retient des panneaux isolés, il faudra prévoir une décharge l’été), il sont nettement moins performants pour du chauffage d’eau sanitaire, ce qui reste néanmoins faisable.

Ces panneaux peuvent donc convenir de manière idéale dans le cas de chauffage de piscine, dans les cas où ou a une surface restreinte (péniche, bateau, tiny house, …) ou pour des questions d’esthétique (un seul aspect de panneau pour les deux fonctions photovoltaïque et thermique).

La performance des panneaux solaires thermiques

La performance des panneaux solaires thermiques est fonction de deux facteurs :

• leur capacité à absorber le rayonnement solaire (les UV, la lumière visible et les infrarouges) et à le transformer en chaleur : c’est le coefficient de conversion
• leur capacité à conserver cette chaleur, donc la qualité de leur isolation.
  • Le coefficient a1 correspond à la puissance perdue par m² de capteur et par degré d’écart entre la température du capteur et la température extérieure. Il est utilisé dans tous les simulateurs.
  • Le coefficient a2 correspond au fait que la perte n’est pas exactement proportionnel à l’écart de température capteur/ambiance, mais augmente un peu plus vite. Il n’est pas utile pour une installation domestique. Il peut l’être dans une grosse installation collective, à ce moment, il est aussi utile de caractériser précisément le réseau : longueur, caractéristiques de son isolation, déperditions au niveau des organes et raccords, …

Les facteurs a1 et a2 sont fournis dans les fiches techniques sérieuses.

Ces facteurs sont aussi appelés respectivement B et K par le CSTB, ou encore a et UL ou μ dans certains rapports.

Le volume du ballon

L’implantation des panneaux

Orientation et inclinaison

exemple, simulateur

La surface des panneaux est fonction principalement de la dimension du ballon : de 2m² pour un ballon de 200 litres dans le sud-est de la France à 7m² pour un 500 litres dans le Nord.

Il faut 1 à 2 m² de panneaux pour 100l dans les chauffe-eau individuels.

D’autres éléments entrent en jeu pour le choix de la surface et/ou du type de panneaux : par exemple l’orientation et l’inclinaison des panneaux. Vous pouvez facilement mesurer l’impact de ces valeurs en utilisant un simulateur solaire thermique.

Les kits présentés sur notre site reflètent ces ratios, ce sont des exemples ‘passe-partout’ que l’on peut optimiser en fonction de l’implantation et de l’usage :

Quelle est l’implantation optimale pour des panneaux solaires thermiques ?

Implanter les panneaux : au sol ou en toiture ?

Implanter au sol est généralement plus facile et permet de choisir à la fois l’orientation (plein sud) et l’inclinaison des panneaux. Avec les stations solaires d’aujourd’hui, la distance n’est plus un problème, il faut simplement tenir compte du fait qu’au démarrage, il y a un volume plus important de fluide à réchauffer. Par exemple, avec un circulateur de chauffage, à une distance de 50 mètres et avec une liaison solaire inox annelé de diamètre 25 mm, on obtient un débit de l’ordre de 20 l/minute, on peut donc fonctionner avec 12 panneaux de 2 m². La distance permet aussi de gérer plus facilement les éventuels problèmes de surchauffe.

La pose en toiture présente l’avantage de ne pas empiéter sur le jardin. L’installation est aussi généralement plus compacte, et il y a moins de risque d’avoir de l’ombre sur les panneaux ou de projection de pierres (tondeuse, débroussailleuse). Mais on ne choisit ni l’angle ni l’orientation : c’est le toit qui fixe la chose. Pour voir l’impact sur la collecte d’énergie, le simulateur de l’Ines est très agréable à utiliser. Au préalable, vous pouvez passer par notre tuto : utiliser Calsol.

En toute première approche, quand on est proche du 45° parallèle, un angle de 45° pour être en moyenne face au soleil quand on est orienté plein sud est une bonne position. On peut incliner un peu plus car le soleil chauffe plus efficacement en été qu’en hiver (la couche d’atmosphère traversée par les rayons est plus faible, il y a donc moins de pertes).

Et plusieurs éléments viennent modifier cette valeur :

• Tout d’abord, le besoin en eau chaude, qui est souvent supérieur en hiver qu’en été, prenez par exemple le réglage de température de la douche,
• Le besoin d’énergie pour chauffer l’eau : généralement, et c’est variable selon les régions, l’eau est plus froide en hiver qu’en été, on a donc plus de besoin en hiver qu’en été.

Au sol, on peut généralement orienter les panneaux plein sud, un angle supérieur à 45° est donc bienvenu quand on recherche une plus grande autonomie : 50 à 60°(cf l’angle de nos supports sol). Sauf si des éléments extérieurs viennent modifier le besoin en fonction de la période, par exemple: beaucoup de visiteurs en été…

A contrario, plus on est désaxé par rapport au Sud, moins il est intéressant d’incliner beaucoup ses panneaux. Par exemple un panneau orienté plein Est à la verticale ne recevra le soleil que jusqu’à midi. Depuis tôt le matin en été mais très peu en hiver car le soleil se lève plus tard et plus au sud, et lorsqu’il s’élève dans le ciel il est plutôt rasant par rapport au panneau.

Voici pour les aspects purement techniques, du dimensionnement d’un chauffe-eau solaire,  il en est d’autres.

Autres critères de choix

 Il peut être préférable pour des raisons esthétiques de monter les panneaux à plat sur le toit : par exemple sur une pente à 30% (17°), on perd un peu de rendement, surtout en hiver, mais on gagne en ‘intégration architecturale’.

Le choix d’un panneau peint peut alors être très judicieux : moins ‘performant’, il évitera les surchauffes en été sans que la perte de rendement soit critique en hiver : à 30% de pente, même avec des bons panneaux, on ne montera pas beaucoup en température l’hiver : on préchauffera l’eau à 35°, environ.

A l’opposé, des panneaux à 60° le long d’un mur  orienté sensiblement au sud peuvent être très efficace en hiver, car bien inclinés par rapport au soleil. Dans ce cas, la température montera plus haut, et il est intéressant de prendre des panneaux plus performants, dont le rendement sera supérieur quand l’écart de température est élevé ( 0° dehors, 70° dedans pour chauffer votre ballon à 60°).

Attention, plus on incline fortement les panneaux, plus l’orientation par rapport au sud est importante : l’orientation d’un panneau à l’horizontale sur un toit plat n’a aucune importance.

Si l’on considère une solution en toiture, l’orientation idéale des panneaux solaires est plein Sud puis Sud Ouest, puis Sud Est, puis Ouest, puis Est. A noter :CALSOL ne montre pas de différence entre sud-est et sud-ouest. Pourtant, l’après midi étant généralement plus chaud que le matin, un panneau présentera moins de pertes thermiques l’après-midi, il est donc souhaitable qu’il soit en mesure de produire l’après-midi.

Si vous positionnez vos panneaux sur un toit à faible pente, préférez des panneaux ‘peints’, dont la température de stagnation est moins haute (environ 140°) que les panneaux à revêtement sélectif (Tinox :  environ 200°). Avec des panneaux peints, vous pouvez donc augmenter un peu la surface de panneau sans risque de surchauffe d’été. Ceci étant, la surchauffe est aujourd’hui parfaitement gérable par les régulations, on le voit très nettement sur les courbes de températures dans nos exemples de fonctionnement

Si la pose en toiture n’est pas optimale, la pose au sol est aussi possible, cela prend un peu de place et il faut protéger les panneaux des tondeuses, voitures, vélos… et surtout les enfants des panneaux (pièces métalliques avec angles au sol, hautes températures). Par contre, cela permet d’orienter les panneaux idéalement, alors que sur une toiture, on n’a pas vraiment le choix. C’est donc une solution de plus en plus souvent retenue quand c’est possible. Il n’y a pas de contrainte importante quant à la distance : dans mon installation, les panneaux sont à 50 mètres du ballon. Cela coûte un peu plus cher en liaison solaire, qu’il faut généralement enterrer en la protégeant dans une gaine.

En résumé, les possibilités d’implantation peuvent jouer sur le choix du matériel.