Comment fonctionne un panneau solaire thermique ?

Visuel : Révolution Énergétique, avec images : Brandon Shaw, Resolute Support, Noya Fields - Flickr CC.

Il existe plusieurs types de panneaux pour exploiter l’énergie du soleil : ceux qui la convertissent en électricité, et ceux qui exploitent directement sa chaleur. Si les panneaux photovoltaïques sont désormais très répandus et bien connus, les panneaux solaires thermiques sont encore très peu utilisés en France. Mais qu’est-ce qu’un panneau solaire thermique au juste ? Comment fonctionne cette technologie ?

Comme son nom l’indique, un panneau solaire thermique exploite la chaleur du soleil. Ses principales applications concernent donc la production de chaleur : eau chaude sanitaire et chauffage de bâtiments. Par ailleurs, le solaire thermique est également utilisé pour le rafraîchissement de bâtiments et la production de chaleur via les réseaux de chaleur.

Le rayonnement solaire constitue une source d’énergie renouvelable, gratuite et non polluante. En raison de leur performance et leur durée de vie élevée (20 à 30 ans), les panneaux solaires thermiques modernes sont ainsi une solution fiable et robuste pour répondre à tout ou partie des besoins de chauffage et d’eau chaude sanitaire.

Comment fonctionne un panneau solaire thermique ?

Bien que l’on distingue plusieurs technologies de panneaux, suivant les capteurs installés, le fonctionnement global reste le même :

Collecte de la chaleur du soleil par des capteurs solaires
Transport de la chaleur par un fluide caloporteur jusqu’à un circuit hydraulique
Stockage de la chaleur dans des ballons de stockage (cumulus)
Restitution de la quantité de chaleur souhaitée, via un système de régulation

Notons cependant que l’installation d’un système de chauffage indépendant, électrique, au bois ou au gaz, pourra demeurer nécessaire pour pallier les situations d’ensoleillement insuffisant. Tout dépend du dimensionnement de l’installation et des besoins en chaleur du lieu équipé.

À quoi ressemble un panneau solaire thermique ?

Il existe trois grands types de capteurs solaires thermiques :

1 – Les capteurs plans vitrés

Les panneaux les plus courants sont constitués d’un capteur « plan vitré ». Vus de l’extérieur, ils peuvent parfois ressembler aux panneaux solaires photovoltaïques. Leur architecture est pourtant très différente :

Le panneau est composé d’un cadre en acier ou aluminium sur lequel est posée une vitre épaisse et très résistante. Une feuille teintée en noir recouvre les faces internes du panneau.
Un fluide caloporteur circule dans un serpentin installé dans l’espace, sous vide d’air ou non, situé entre la vitre et la feuille. Il absorbe la chaleur du soleil. Le serpentin est parfois bordé d’ailettes noires, ce qui permet de maximiser l’absorption de chaleur.
Un matériau isolant thermique est placé au dos du serpentin pour réduire les pertes de chaleur.

Par sa robustesse, sa facilité d’intégration, son rapport coût/performance et sa capacité à produire une eau entre 50 et 90 °C, les panneaux à capteurs plans vitrés sont les plus populaires en utilisation domestique. D’autres technologies de capteurs existent néanmoins et le choix se fera suivant le niveau de température visé et le budget.

Un chauffe-eau solaire utilisant un capteur plan vitré en Afghanistan (à g.), les capteurs plans vitrés d’une centrale solaire thermique à Narbonne / Images : Resolute Support – Flickr CC, Révolution Énergétique.

2 – Les capteurs plans souples

Contrairement aux capteurs vitrés, les capteurs souples non vitrés ne sont pas protégés par une caisse ou un vitrage. Ils consistent en une simple poche plastique de couleur noire, dans lequel circule l’eau à chauffer. S’ils sont peu coûteux car très dépouillés, ils ont l’inconvénient d’être totalement dépendants de la température extérieure et sont très sensibles aux vents froids. Ils ne peuvent pas bénéficier de l’effet de serre produit par les capteurs vitrés. Pour toutes ces raisons, la température de l’eau produite ne dépasse pas 30 °C sous nos latitudes. Ils sont généralement réservés aux pays chauds ou utilisés seulement pour le réchauffage des piscines.

Des capteurs solaires thermiques souples dédiés au réchauffage de piscines / Images : Brandon Shaw (à g.) Noya Fields (à d.) – Flickr CC.

3 – Les capteurs tubulaires sous vide

Nettement plus efficaces, mais beaucoup plus chers et plus fragiles, ces capteurs sont composés de tubes en verre sous vide d’air, ce qui réduit les pertes par convection et par conduction, sans nécessiter de coffre ni d’isolant thermique. Ces panneaux high-tech qui permettent d’atteindre des températures élevées (jusqu’à 120 °C) sont encore peu répandus en France, mais considérés comme l’avenir du solaire thermique, compte tenu de leur rendement important. Plusieurs technologies de capteurs sous vide ont été développées ou sont déjà commercialisées : à flux direct, à caloduc ou de type Sydney/CPC.

Des capteurs tubulaires sous vide / Images : Pluckytree (à d.), Tatiana Vedenava (à g.) – Flickr CC.

Ne pas confondre solaire thermique et solaire thermodynamique

Ces deux technologies ont en commun d’exploiter le rayonnement du soleil, mais la comparaison s’arrête là. Il ne faut donc pas confondre le solaire thermique avec le solaire thermodynamique, également appelé « à concentration » ou CSP (Concentrated Solar Power), une famille de technologies utilisées pour produire de l’électricité dans des centrales solaires très particulières.

Contrairement au photovoltaïque qui convertit directement le rayonnement solaire en électricité, un système thermodynamique concentre le rayonnement solaire puis envoie la chaleur produite à une turbine reliée à un générateur. Ce système, réservé aux pays à fort ensoleillement, n’a donc rien à voir avec le solaire thermique traditionnel.

Panneaux solaires thermiques ou photovoltaïques : comment choisir ?

Le solaire thermique et le photovoltaïque répondent à des besoins différents et ne sont pas nécessairement en concurrence directe. Si votre objectif est de produire votre propre électricité, l’installation de panneaux photovoltaïques est à envisager. En revanche, si vous désirez produire de l’eau chaude pour chauffer votre logement, le solaire thermique est une solution parmi d’autres (pompes à chaleur notamment).

Néanmoins, si les deux applications vous intéressent, sachez qu’il existe des panneaux solaires hybrides, autrement dit des panneaux munis de capteurs capables de produire simultanément de l’eau chaude (ou de l’air chaud) et de l’électricité. Bien que les performances de cette solution aient été démontrées, cette technologie représente pour le moment un coût d’achat important, en comparaison avec l’installation de panneaux photovoltaïques, et reste réservée à des marchés de niche.