Installateur Eco Energies (solaire thermique et photovoltaïque, poêles et chaudières à granules de bois), en région PACA, à la pointe Nord des Bouches du Rhone (Sud Avignon)
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ALPILLES SOLAIRES

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Nouveau fabricant de panneaux solaires thermiques plans: HELIOFRANCE

Capteurs solaires thermiques plans /

Capteurs solaires thermiques à tubes sous vide:

Match nul: 1 partout !

Avant propos:

Bon nombre de mes interlocuteurs (prospects, clients, journalistes même parfois!) et quelques fabricants et revendeurs de capteurs solaires thermiques à tubes tiennent les propos suivants:
"
... Mettre des capteurs solaires thermiques à tubes sous vide, c'est utiliser les techniques d'aujourd'hui, les courbes de rendement sont meilleures, c'est le jour et la nuit entre les capteurs solaires thermiques plans et les capteurs solaires thermiques à tubes. Les capteurs solaires thermiques à tubes tiennent moins de place, sont plus esthétiques, permettent de produire plus d'eau chaude, plus vite, plus longtemps...
... Equipez vous du top absolu : le capteur solaire thermique à tube sous vide de dernière génération...
...Un des meilleurs capteurs solaire thermique du monde au prix d'un capteur solaire thermique plan...
... Que si les capteurs solaires thermiques n'ont pas pris en France, c'est qu'on attendait des matériels plus efficaces, ce que sont les capteurs solaires thermiques à tubes sous vide proposés aujourd'hui, ...
... Heureusement que nous sommes là pour vous proposer des capteurs solaires thermiques à tubes sous vide (parfois pas -trop- chers) , sinon ...
Les capteurs solaires thermiques à tubes sont 30% plus performants que les capteurs plan - Source ADEME,... Voir désinformation sur pub BRICOMAN de Novembre 2007.
"

Nous constatons qu'il existe aujourd'hui une sorte d'engouement pour les capteurs solaires thermiques à tubes.
En fait, la demande pour les capteurs solaires thermiques existe aujourd'hui alors qu'elle n'existait quasiment pas il y a quelques temps.
Les gens souhaitent s'équiper et dans leur recherche souhaitent acheter "ce qui se fait de mieux", quitte à payer même - un peu - plus cher!
Etant installateur de capteurs solaires thermiques, avec malgré tout aujourd'hui une petite expérience, ayant signé la charte "Qualisol" et "Qualisol-Combi", étant importateur de capteurs solaires à tubes sous vide, je me propose aujourd'hui, objectivement (ou plutôt avec le maximum d'objectivité possible) de porter à la compréhension de tous les principes de rendement des capteurs solaires pour qu'en toute connaissance de cause chacun puisse choisir (ou laisser choisir à l'installateur) les produits les mieux adaptés à son application.
Comme il existe de nombreuses configurations possibles pour l'installation et l'exploitation de capteurs solaires thermiques, la meilleure solution pour un individu n'est pas forcément la même pour son voisin.

Nous ne détenons pas la vérité, nous essayons de participer à l'éclaircissement des quelques petites zones qui semblent, pour le moins, sombres...

Définitions:

Absorbeur:
Dans un capteur solaire thermique, l'absorbeur, c'est la partie du capteur recevant la chaleur à exploiter. L'absorbeur tend à perdre de la chaleur car il est plus chaud que le milieu environnant.
Le capteur est conçu pour limiter ces pertes par la présence de surfaces vitrées étanches (effet de serre) et la présence d'isolant (laine de verre ou de roche, mousse polyuréthane ou vide d'air).

Le rayonnement:
Mode de propagation de l'énergie thermique sous forme d'ondes.

La convection:
Mouvement d'un fluide, avec transport de chaleur, sous l'influence de différences de températures.
Dans le capteur solaire thermique , il se produit des échanges de chaleur par convection naturelle entre l'absorbeur (chaud) et la surface vitrée (moins chaude), des échanges de chaleurs par convection naturelle entre les surfaces vitrées (un peu chaudes) et le milieu.
Ces échanges sont augmentés par le vent.

La conduction:
Action de transmettre de proche en proche la chaleur dans la matière.
Dans le capteur solaire thermique, il y a transmission de chaleur par conduction à travers l'isolant...

L'effet de serre:
La couverture transparente (surface vitrée) réalise l'effet de serre, c'est à dire qu'elle laisse passer le rayonnement solaire visible et est opaque au rayonnement infra-rouge émis par l'absorbeur.

Pertes:
Dans notre cas, c'est l'effet de perdre de la chaleur. Ces pertes sont d'autant plus grandes que l'écart de température avec l'environnement est fort. Cela signifie que plus l'écart (DT) de température entre l'absorbeur et l'air environnant est grand, moins bon sera le rendement du capteur.

Kelvin (K):
La différence de température (DT pour Delta T) a pour unité le Kelvin ou K.

Irradiation solaire (W/m²):
C'est la quantité d'énergie, à un moment donné, fournie par le soleil, et ce perpendiculairement à la source.
Dans notre exposé, nous ne tiendrons pas compte des orientations ou inclinaisons des capteurs. Comparons ce qui est comparable, considérons que tous les capteurs reçoivent le même niveau de rayonnement.

Surface:
Sous ce mot anodin se cache une des clés les plus complexes a décoder du solaire thermique.
Les caractéristiques des capteurs solaires thermiques apparaissent souvent pour l'une des 3 surfaces du capteur:
La surface d'absorbeur: C'est la surface permettant d'absorber les rayons du Soleil.
La surface d'entrée: C'est la surface exposée aux rayons du Soleil.
La surface hors tout: C'est la surface réellement occupée par le capteur.
Sur un capteur plan, la surface d'absorbeur et la surface d'entrée sont identiques: cela s'explique par la nature du capteur plan qui reçoit les rayons du soleil sur son absorbeur.
Sur un capteur à tube, c'est plus compliqué. Un capteur à tubes sous vide n'ayant pas de réflecteurs à l'arrière aura une surface d'entrée inférieure à un capteur à tube ayant un réflecteur car nous intégrons pour le capteur à tubes sous vide ayant un réflecteur la surface des réflecteurs qui réfléchissent sur les tubes.
En fait, pour éviter a avoir à noyer le poission, je propose de ne retenir que la surface hors tout. C'est à dire de ramener les performances du capteur à sa surface hors tout, et ce que les performances soient données en surface d'entrée ou en surface d'absorbeur.
Une simple règle de 3 suffit.
Si le fabricant ne fournit pas les informations permettant de retrouver les caractérisques hors tout, abandonnez, c'est un escroc.
L'exposé qui suit ne parle pas des surfaces (absorbeur, entrée, hors tout). En effet, une fois les caractéristiques obtenues pour un type de surface (préférez hors tout, c'est clair), les comparaisons peuvent être a nouveau faites pour un autre type de surface.

Les données:

Nous allons développer notre exposé sur la base d'un champs de capteurs nécessaires pour un CESI ou un chauffage d'espace. La majeure partie des installation thermiques solaires se faisant pour ces applications.

Il existe 2 méthodes pour évaluer les pertes et donner un rendement à un capteur solaire thermique :
La méthode française et l'autre, pas française... ;-) Européenne.
En fait, et encore une fois, l'une et l'autre fonctionnent très bien. La méthode française est plus simple à comprendre, la méthode européenne plus complexe.

L'analyse ci après a été écrite en s'inpirant des cours sur le SSC donnés par E.MICHEL de la société acd², ancien directeur du COSTIC de Digne les Bains.

Nous allons donc commencer par la française, cela servira de prélude à l'explication de la méthode européenne.
Les données de la méthode européenne sont maintenant présentes dans quasiment toutes les brochures et/ou documentations techniques des produits commercialisés (les fameux n, a1 et a2).

Rendement d'un capteur solaire thermique par la méthode française:

La courbe de rendement d'un capteur solaire thermique est définie par l'équation suivante:

n = B - ( K . (Tm-Text) ) / H

avec:
n = rendement du capteur solaire thermique (%)
B : Facteur optique du capteur (%)
K : Coefficient de déperditions du capteur (W/m².K)
Tm : Température moyenne du capteur (°C)
Text : Température extérieure (°C)
H : Irradiation solaire (W/m²)

Si DT = Tm - Text , l'équation peut être réduite ainsi:

n = B - ( K . (DT) ) / H

Echelles de valeurs:

Le facteur optique (B) varie suivant la nature du capteur solaire thermique et est calculée suivant la surface Hors Tout.
Il varie entre 0,5 et 0,8 et il correspond au rendement maximum du capteur (quand le DT est = à 0).

Le coefficient K (exprimé en W/m².K) est représentatif des pertes thermiques du capteur. Il dépend essentiellement du niveau d'isolation du capteur et de la nature de l'absorbeur. Il varie fortement en fonction du type de capteur:
Capteur sans vitre : 20 à 25 et plus
Capteur vitré simple: de 4 à 6 et plus
Capteur vitré sélectif : de 3 à 5
Capteur sous vide à revêtement interne AL-N/AL : de 2 à 3
Capteur sous vide à revêtement interne SS-C/CU : de 1 à 2

Mise sur graphique:

Supposons un capteur plan avec B= 0,70 et K = 4,5
n = 0,7 - 4,5 (DT/H)
Nous avons supposé 2 niveaux de rayonnement, l'inclinaison du capteur n'étant pas prise en compte.
Nous obtenons le graphique suivant:

Nous pouvons constater 3 choses:

1- le rendement du capteursolaire thermique n'est pas le même suivant l'intensité du rayonnement.
Plus le rayonnement est faible, moins bon est le rendement.
La conclusion n'est pas aussi simple que cela: moins le rayonnement est bon et moins on récolte d'énergie sur le capteur. Soit.
mais cela tient à 2 paramètres: Moins on a de rayonnement, moins le capteur solaire thermique capte de rayons et moins il les transforme en énergie.
Mais en plus, moins bon est son rendement propre.

2- plus l'écart de températures entre le fluide et l'extérieur est important et moins bon est le rendement, et cela quelque soit le
rayonnement.
Concrètement, avec une eau de retour dans un CESI à 30°C et une température ambiante de 15°C, nous obtenons 15K de DT.
Le capteur travaille avec un rendement de 0,6. Avec une eau de retour dans le CESI à 60° et une température ambiante de 25°C, nous obtenons 35K de DT. Le capteur travaille avec un rendement de 0,4.
Avec une eau de retour dans le CESI à 95°C et une température ambiante de 35°C, nous avons 60K de DT. Le capteur travaille alors avec un rendement de 0,15...

Conclusion: quelque que soit la température extérieure, un système solaire thermique doit travailler avec les températures de fluide caloporteur les plus basses possibles.
En clair, faire de l'accumulation de chaleur dans un ballon d'eau chaude sanitaire au dessus de 60 à 70°C n'est pas utile, c'est un fait, mais dimensionner une surface de capteurs trop importante donnera un moins bon rendement qu'avec une surface plus petite. Et faire fonctionner un système avec une température de fluide supérieure à 95° non seulement ne sert plus à grand chose mais en plus met en péril l'installation (dégradation des composants).
Mettre un maximum de capteurs n'avantage ni le système ni le porte monnaie.

Nous constatons donc que regarder un graphique avec des valeurs de DT supérieures à 60K ne sert plus à rien.
Pour les prochaines graphiques, nous effectuerons les analyses que jusqu'à 60K de DT.

3- La limite maximum permettant de déterminer la température maximum du capteur, l'usage de graphique n'est pas utile, l'équation peut être écrite ainsi:
0 = B - ( K . (DTmaxi) ) / H

=> B = K . DTmaxi / H => DTmaxi = B . H / K

Dans notre cas, DTmaxi minimum = 0,7 . 350 / 4,5 = 54° et DT maxi maximum = 0,7 . 800 / 4,5 = 125°
Supposons une température ambiante de 35°C, le capteur à son maximum à 125 + 35 = 160 °C les moments de fort ensoleillement et 90 les moments de faible ensoleillement.
Nous retiendrons donc 160°C de température "à vide" pour ce capteur.

Rendement d'un capteur solaire thermique par la méthode européenne:

Les données et formules de base sont données dans la norme EN12975-2, § 6.14.85.5 page 43, téléchargeable ici.

La courbe de rendement d'un capteur solaire thermique est définie par l'équation suivante:

n = n0 - a1 . ((Tm-Text) / H) - a2 . H . ((Tm-Text) / H)²

avec:
n = rendement du capteur
n0 : Coefficient de conversion optique du capteur (sans dimension)
a1 : Coefficient de déperditions thermiques par conduction du capteur (W/m².K)
a2 : Coefficient de déperditions thermiques par convection du capteur (Calculs de)
Tm : Température moyenne du capteur (°C)
Text : Température extérieure (°C)
H : Irradiation solaire (W/m²)

Si DT = Tm - Text , l'équation peut être réduite ainsi:

n = n0 - a1 . (DT / H) - a2 . H . (DT / H)²

Echelles de valeurs:

Le facteur optique (n0) varie suivant la nature du capteur et est calculée suivant la surface d'"apperture" ou d'"ouverture" du capteur. Concrètement, c'est la surface réellement utile du capteur. Pour un capteur plan, c'est la surface totale moins les surfaces liées aux isolants des bords et les surfaces des cornières. Pour un capteur à tubes sous vide, c'est la surface réellement exposées des tubes sur la surface totale en largeur (les espaces entre les tubes sont considérés fonctionnels).
Il varie entre 0,5 et 0,8 et il correspond au rendement maximum du capteur (quand le DT est = à 0).

Le coefficient a1 (exprimé en W/m².K) est représentatif des pertes thermiques par conduction du capteur solaire thermique. Il dépend essentiellement du niveau d'isolation du capteur solaire thermique et de la nature de l'absorbeur. Il varie fortement en fonction du type de capteur solaire thermique :
Capteur solaire thermique sans vitre : 20 à 25 et plus
Capteur solaire thermique vitré simple: de 4 à 6 et plus
Capteur solaire thermique vitré sélectif : de 3 à 5
Capteur solaire thermique sous vide à revêtement interne AL-N/AL : de 2 à 3
Capteur solaire thermique sous vide à revêtement interne SS-C/CU : de 1 à 2

Le coefficient a2 (exprimé en W/m².K²) est représentatif des pertes thermiques par convection du capteur solaire thermique. Il dépend essentiellement de la qualité de l'absorbeur du capteur solaire thermique et sa nature. Il varie fortement en fonction du type de capteur solaire thermique :
Capteur solaire thermique vitré simple: de 0,05 à 0,1 et plus
Capteur solaire thermique vitré sélectif : de 0,005 à 0,015
Capteur solaire thermique sous vide à revêtement interne AL-N/AL : de 0,006 à 0,010
Capteur solaire thermique sous vide à revêtement interne SS-C/CU : de 0,004 à 0,007

Mise sur graphique:

Supposons un capteur solaire thermique plan avec K= 0,70 , a1 = 3,5 et a2 = 0,01
n = 0,7 - 3,5 (DT/H) - 0,01H(DT/H)²
Nous avons supposé 2 niveaux de rayonnement, l'inclinaison du capteur solaire thermique n'étant pas prise en compte.
Nous obtenons le graphique suivant:

Nous pouvons observer les mêmes conclusions que sur le graphique précédent.
Nous observons cependant que les courbes sont vraiment "courbes" par rapport aux courbes précédentes plutôt "droites".

Comment passer d'une méthode à une autre?

En fait, à partir des données françaises, nous savons construire et exploiter la méthode européenne, en prenant comme valeur de n0 le B, la valeur de a1 le K et en mettant 0 sur a2.
Par contre, l'inverse n'est pas possible, réellement, sur toute la courbe car l'une est une parabole, l'autre une droite.
Cependant, nous pouvons tenter de nous en approcher un essyant de superposer les 2 courbes sur un même graphique et considérant uniquement la partie "utile" des courbes.

Ainsi, dans cet exemple, nous avons n0= 0.77, a1=3,5 et a2=0,01. Nous trouvons, par superposition:
B=0.78 et K=4.25.

Aujourd'hui, même si toutes les données fournies par les fabricants sont maintenant selon le format européen, des logiciels de calculs en ligne comme tecsol font encore référence aux paramètres B et K.

Exploitation des informations acquises aux paragraphes précédents pour analyser les données des fabricants.

Nous allons, pour poursuivre l'exposé, utiliser les valeurs fournies par les fabricants.
Ces données sont disponibles sur le site www.spf.ch ou sur les notices des fabricants.
Les données sont fournies de façon neutre, sans nommer les fabricants.

Fabricant/modèle	Type	n	a1	a2	T max Fabricant (°C)	DT (°C)
A	Plan	0,67	5,55	0,0292	150	70
B	Plan	0,77	3,77	0,01101	200	120
C	Plan	0,84	3,60	0,0095	200	135
D	Tube	0,67	2,50	0,0098	250	135
E	Tube	0,64	0,75	0,0050	300	250
F	Tube	0,77	1,47	0,0051	300	230
G	Tube	0,81	1,20	0,0070	300	230

Que constate t-on de prime abord?
Que les rendement à DT = 0 sont aussi bons (ou aussi mauvais) pour les capteurs plans que pour les capteurs à tubes sous vide. Certains capteurs plans ont même un coefficient n supérieur à celui de certains capteurs à tubes sous vide.
Que les facteurs a1 (Coefficient de déperditions thermiques par conduction du capteur (W/m².K)) sont plutôt meilleurs pour les capteurs solaires thermiques à tubes sous vide (ceci s'expliquant d'une part par l'effet du vide et d'autre part par des isolants (sur les collecteurs) alors que les capteurs solaires thermiques plans ont une grande surface de déperdition (le vitre), même si le bas des capteurs est isolé).
Que les facteurs a2 (Coefficient de déperditions thermiques par convection du capteur (W/m².K²)) peuvent être meilleurs sur des capteurs solaires thermiques plans que sur certains capteurs solaires thermiques à tubes sous vide.

La température maximum atteinte en DT (calculé suivant la formule donnée au paragraphe précédent) est ré-injectable dans le tableau (en rouge).
Que peut-on en déduire,
1 - Que la température maxi DT (en stagnation) n'est pas aussi haute que nous l'aurions attendu, surtout pour les capteurs à tubes sous vide. Avec une température ambiante de 30°C, nous avons 100°C dans le capteur A (plan), 150°C dans le capteur B (plan), 165°C dans les capteurs C (plan) et D (tubes sous vide), 280°C dans le capteur E (tubes sous vide) et 260°C dans les capteurs F et G (tubes sous vide).
La température à vide a été vérifiée avec le capteur F pour lequel, et avec 1 seul tube, nous avons fait fondre du fil d'étain sur la partie haute d'un seul caloduc: le fil fond, c'est donc que la température de 217°C est atteinte, mais le fil ne fond pas instantanément, c'est donc que l'extrémité du caloduc n'est pas plus élevée que 230°C.
2 - Que la température maxi du capteur D (tubes sous vide) n'est pas plus haute que celle du capteur C (plan)!
Où est l'efficacité du capteur à tubes sous vide?
3- Que le capteur E (à tubes sous vide), avec un rendement initial très mauvais au regard des autres, est celui qui présente la température maximum la plus élevée: C'est donc un capteur stable.
4- Que les températures Tmax données par les fabricants ne sont jamais atteintes, c'est un fait et heureusement. Mais que ces températures maximums ne doivent pas être exploitées comme argument technique. Ce sont les températures limites auquelles les matériels doivent tenir et fonctionner. Comme nous l'avons vu, ce ne doit pas être un outil de référence pour le choix des produits.

C'est comme si un constructeur vous indiquait que son véhicule peut "tenir" à une vitesse de 400km/h... s'il est fixé sur un wagon-plateau de TGV... et alors, oui, il tient à 400km/h mais y va-t-il vraiment, à 400km/h en vrai, sur la route? bien sur que non, bien lancé, sur autoroute et en descente, sa vitesse de pointe sera de 160km/h... et puis on est limité à 130km/h , et même , la majeure partie des trajets se font en ville, à moins de 50km/h... alors ... 400km/h ... ? ...

Graphique pour H = 350 (ensoleillement moyen-faible)

Que peut-on en déduire?
1- les capteurs solaires thermiques à tubes sous vide sont globalement plus stables que les capteurs plans, mais pas tous. Le capteur D ( à tubes sous vide) devient meilleur que le capteur C (plan) lorsque le DT est supérieur à 55K...
2 - Que les chutes des rendements des capteurs solaires thermiques plans sont plutôt constantes et que le rendement initial donne une bonne idée de la qualité du produit. (plus le rendement à DT = 0 est élevé, meilleure sera la tenue du capteur solaire thermique lors de l'évolution du DT.
3 - Que la valeur du n0 d'un capteur à tubes sous vide (à l'inverse des capteurs plans) ne permet pas de déterminer la qualité intrinsèque du capteur solaire thermique . Il faut analyser toute la courbe. Nous pouvons voir que le capteur E à un rendement initial plutôt mauvais au regard des autres capteurs à tubes sous vide (D, F et G) mais vient croiser la courbe du capteur D très vite (DT = 5K!) et reste somme toute assez stable puisqu'il vient également croiser F et G.
4- Que les capteurs F et G (à tubes sous vide) ont des comportements assez voisins, à l'image de leurs rendements initiaux.

Graphique pour H = 800 (ensoleillement assez fort)

Qu'observe-t-on ?
1- Que le capteur solaire thermique A (plan), mauvais lors de périodes d'ensoleillement faible, reste bon dernier lors lorsque le soleil est bien présent.
2- Que le la courbe de rendement du capteur solaire thermique E (à tubes sous vide), ayant quasiment la pire de toutes, vient croiser les courbes des capteurs solaires thermiques A, B, C et D assez rapidement.
3- Que les capteurs solaires thermiques F et G restent fidèles à leurs comportements précédents.

Graphique pour H = 600 (ensoleillement moyen-fort)

Analysons maintenant ce qui se passe lorsque l'on regarde plutôt dans la fenêtre "active" des capteurs solaires thermiques , c'est à dire avec un DT compris entre 30 et 50 K et avec un rendement que l'on va accepter comme raisonnable jusqu'à 0,35.

Qu'observe-t-on ?
1- Que le capteur solaire thermique A (plan) est définitivement hors course.
2- Que les capteurs solaires thermiques B (plan) et D (à tubes sous vide) ont globalement les mêmes comportements.
3- Que les capteurs solaires thermiques C (plan) et E (à tubes sous vide) sont globalement dans les mêmes comportements.
4- Que le capteur solaire thermique E (à tubes sous vide), avec un rendement initial plutôt mauvais, a malgré tout un comportement très intéressant: à DT faible il est pas trop mal car meilleur que A, B et D (tubes sous vide!), à DT fort, il est meilleur que A, B, C et D.

Amélioration des performances de certains capteurs à tubes sous vide équipés de réflecteurs arrières.

Certains capteurs solaires thermiques à tubes sous vide ont été testés sans les réflecteurs arrières éventuellement fournis pour augmenter l'efficience de 5 à 10%.
Considérons le cas de notre capteur solaire thermique à tubes sous vide avec le plus mauvais des rendements, le capteur solaire thermique nommé E, qui est fourni par son distributeur systématiquement avec le réflecteur arrière.
Retraçons les courbes en fonction d'une augmentation des performances de 7,5% (moyenne entre les 5% et les 10% donnés par le distributeur) par rapport à tous les autres ne bénéficiant pas de hausses des performances. En fait, le coefficient doit être appliqué seulement sur le n (Coefficient de conversion optique du capteur solaire thermique (%)) car le réflecteur augmente la conversion optique mais ne joue pas sur les pertes.
(Le capteur solaire thermique E possède aussi des réflecteurs arrières mais les résultats ont été rendus avec le réflecteur).

Qu'observe-t-on ?
Le capteur solaire thermique D a globalement ses performances augmentées, certes. Mais ses performances ont-elles été radicalement augmentées?
En fait non, bon avant avant dernier, il reste à sa place. Le capteur solaire thermique C (plan) avec ses performances non modifiées reste devant.
Que devons nous en conclure?
Le réflecteur arrière augmente les performances intrinsèques du capteur solaire thermique sur lequel il est placé mais n'augmente pas ses performances d'une façon tellement significative que le capteur solaire thermique en devient réellement plus performant. Pas terrible à la base, il reste pas terrible, mais un peu mieux quand même...
=> Les contraintes liées à la présence de réflecteurs arrières sur les capteurs solaires thermiques à tubes sous vide ne justifient pas leur pose.

Courbes de comparaisons de performances.

Nous avons pu observer parfois le graphique ci dessous:

Ce petit schéma nous indique clairement que les capteurs vitrés (plans) n'ont pas le même comportement que les capteurs solaires thermiques à tubes sous vide. Soit.
Il nous indique également que les capteurs solaires thermiques à tubes sous vide ont un comportement plus "lissé", ils absorbent d'avantage les pics en été et restituent davantage d'énergie en hiver. Re-Soit.
La conclusion rapide de ce schéma, c'est qu'il vaut mieux choisir un capteur solaire thermique à tubes sous vide qu'un capteur solaire thermique plan.

Nous allons dont mettre en pratique ce que nous avons exposé précédemment en supposant plusieurs paramètres:
Nous allons prendre l'ensoleillement moyen journalier mensuel à Nimes (par exemple), sur un capteur posé sur un toit incliné à 30°, orienté plein sud (0°).
Nous prendrons les valeurs d'irradiation à partir de la feuille de calcul établie par tecsol, téléchargeable ici.
Nous considérerons que la consommation en ECS va rester stable tout au long de l'année.
Nous admettrons également qu'en dessous de 2kWh/m².jour, l'énergie récoltée par le capteur est trop faible pour être significative.
Le DT maxi utile pour la chauffe de l'ECS sera de 70K en été, 30K en hiver, 50K au printemps et à l'automne.

Ce qui donne le tableau suivant:

Mois	Irradiation capteurs (Wh/m².jour)	DT
Janvier	2490	30
Février	3353	30
Mars	4643	50
Avril	5771	50
Mai	6098	50
Juin	6826	70
Juillet	7328	70
Aout	6454	70
Septembre	5280	50
Octobre	4262	50
Novembre	2820	50
Décembre	2429	30

Nous appliquons pour toutes les valeurs les corrections nécessaires aux rendements suivant ce que nous avons exposé précédemment et nous obtenons le graphique suivant:

Que constatons-nous?
1- Le capteur solaire thermique A n'existe plus, son rendement le plaçant en dessous de notre limite des 2kWh/m².jour.
2- Qu'effectivement, en saison basse (hiver), les capteurs solaires thermiques à tubes sous vide apportent globalement plus d'énergie que les capteurs solaires thermiques plans. Seul le capteur solaire thermique D (tubes sous vide) est plutôt plus mauvais que tous les autres, y compris les capteurs solaires thermiques plans.
3- Par contre, en haute saison (été), les capteurs solaires thermiques plans saturent alors que les capteurs solaires thermiques à tubes sous vide sur-produisent. Là encore, petite exception le capteur solaire thermique D (tubes sous vide) qui sature autant que le capteur solaire thermique B (plan).
4- Que les courbes des capteurs solaires thermiques B, C et D sont globalement identiques (un comble, D est un capteur solaire thermique à tubes sous vide!) et que les courbes des capteurs solaires thermiques E, F et G sont globalement identiques. Ceci pour indiquer qu'en dimensionnant correctement les capteurs solaires thermiques , chaque capteur solaire thermique de chaque groupe a un fonctionnement globalement identique à ses camarades de groupe.
5- Que le petit schéma "

" est pas si vrai que ça, attention aux idées reçues!

Ajustement des performances des capteurs.

Maintenant que nous avons comparé les performances des capteurs solaires thermiques , essayons de superposer les courbes afin qu'ils puissent tous donner globalement les même performances.
Le capteur solaire thermique A étant hors course, nous allons considérer le capteur solaire thermique B (plan) comme étant le capteur solaire thermique de référence car il présente une bonne courbe de rendement et présente un rapport performance/prix intéressant.
nous donnons donc les valeurs suivantes aux capteurs solaires thermiques restants:
B = 1 ;
C = 0,8 ;
D = 0,95 ;
E = 0,8 ;
F = 0,7 ;
G = 0,66.
Nous obtenons le graphique suivant:

Il faut donc 0,66m² de capteur solaire thermique G pour arriver à produire la même énergie qu'1m² de capteur solaire thermique B.
Il faut donc 0,95m² de capteur solaire thermique D pour arriver à produite la même énergie qu'1 m² de capteur solaire thermique B.
Pour une énergie identique, il faut plus de surface au capteur solaire thermique D (à tubes sous vide) qu'au capteur solaire thermique C (plan) !

(Si quelqu'un veux effectuer un calcul d'intégrales pour me donner les surfaces réelles, il est le bien venu).

Classements des capteurs

Sur un aspect purement technique, nous serions tentés de classer les capteurs solaires thermiques ainsi:
7ème et bon dernier: A ;
5èmes D et B, ces 2 capteurs solaires thermiques étant globalement avec des rendements similaires, les avantages et inconvénients de l'un contre balançant les avantages et inconvénients de l'autre;
4ème : C ;
3ème E ;
2ème F ;
1er G.

Sur les 4 premiers, 3 sont des capteurs solaires thermiques à tubes sous vide.
Sur les 3 derniers, 1 est un capteur solaire thermique à tube sous vide!

Alors, ne généralisons pas sur l'avance systématique que peuvent avoir les capteurs solaires thermiques à tubes sous vide, il faut systématiquement comparer les produits et retenir celui ou ceux qui correspondent à l'application envisagée.

Mais nous allons intégrer un paramètre complémentaire, le prix TTC en Euros au m²:
nous pouvons classer les produits ainsi:
Prix B <= Prix A <= Prix F <= Prix D <= Prix C <= Prix E <= Prix G
140 <= 160 <= 240 <= 240 <= 300 <= 600 <= 600

Attention: les prix sont ceux qui ont été observés dans le courant du troisième trimestre 2006.

Pré-conclusion:

Cas du A:
Bon dernier en technique et même pas premier en prix.
160€/m², mais hors course pour l'alignement des surfaces.

Cas du B:
Capteur solaire thermique plan de qualité acceptable (140€/m²), pas de remarque particulière, notre étalon dans la démonstration.

Cas du C:
C'est un capteur solaire thermique plan, d'un fabricant belge, avec des prix assez élevés. Le service rendu est là, reste à savoir si l'on est près à payer plus cher qu'il ne le faudrait, pour un service somme toute assez semblable à ses confrères.
Prix 300€/m².
Rapporté à la performance du capteur solaire thermique B, nous obtenons un prix de 240€/m², soit 70% plus cher que le capteur B.

Cas du D:
Devant la difficulté de manutention des capteurs solaires thermiques à tubes sous vide et leur prix (les capteurs solaires thermiquse à tubes sous vide les moins chers sont quand même presque 2 fois plus chers que des capteurs solaires thermiques plans de qualité acceptable).
En effet, 1,7 fois plus cher qu'un capteur solaire thermique plan de qualité acceptable, il présente les mêmes comportements!
Par ailleurs, son rendement est le moins bon de tous les capteurs solaires thermiques à tubes sous vide et même moins bon que le rendement de certains capteurs solaires thermiques plan. Un comble pour du matériel vanté par son distributeur comme étant une référence sur le marché!
Le prix observé est autour de 240€/m².
Rapporté à la performance du capteur solaire thermique B, nous obtenons un prix de 228€/m², soit 60% plus cher que le capteur solaire thermique B, à performances égales!!!

Cas du E:
Le Capteur solaire thermique E (à tubes sous vide) est un U-PIPE non dé-assemblable. Cependant, il présente un comportement assez stable sur toute la plage du DT. Aussi, dimensionné correctement, il pourra répondre au service attendu sans véritables surchauffes en été.
Cependant les prix pratiqués par le fabricant (hors kits CESI pour les installateurs) dissuadent à l'achat.
Dans le cas d'une installation bénéficiant des crédits d'impôts, le choix est plutôt correct.
Prix observé : 600€/m².
Rapporté à la performance du capteur B, nous obtenons un prix de 480€/m², soit 250% plus cher que le capteur solaire thermique B, à performances égales.

Cas des F:
Capteur solaire thermique à tubes sous vide, à caloduc (dé-assemblables), de type 58mm en 2 tubes séparés de vide.
Prix du capteur F: 240€/m² , rapporté à la performance du capteur B, nous obtenons un prix de 170€/m² soit 20% plus cher que le capteur solaire thermique B à performances égales, mais 20% moins cher que le capteur D (à tubes sous vide) et 40% moins cher que le capteur C (plan).

Cas des G:
Capteur solaire thermique à tubes sous vide, à caloduc (dé-assemblables), de type 70mm, en un seul tube.
Prix du capteur solaire thermique G: 600€/m², rapporté à la performance du capteur solaire thermique B, nous obtenons un prix de 400€/m² soit 200% plus cher que le capteur solaire thermique B à performances égales, et 150% moins cher que le capteur solaire thermique G (de performances comparables).

Notre classement peut donc être revu ainsi:
Prix B < Prix F < Prix D < Prix C < Prix G < Prix E
140 < 170 < 230 < 240 < 400 < 430
(Capteur A hors classement).

Nouveau classement, avec intégration des surfaces corrigées

7ème : A ;
6èmes E ;
5ème : G ;
4ème : C ;
3ème : D ;
2ème : F ;
1er : B ;

Sur les 4 premiers capteurs solaires thermiques, 2 sont à tubes sous vide et 2 sont des capteurs solaire thermique plans!
Sur les 3 derniers capteurs solaires thermiques, 2 sont à tubes à tubes sous vide!
Mais premier: 1 capteur solaire thermique plan!

Conclusion:

Quelle conclusion pouvons nous apporter maintenant ? : "Pas de généralisation!"

Ce n'est pas parce que j'ai monté des capteurs solaires thermiques à tubes sous vide et mon voisin des capteurs solaires thermiques plan que j'aurai des performances supérieures. Ce n'est pas parce qu'aujourd'hui certains vantent les mérites de leurs capteurs solaires thermiques à tubes sous vide que cela en fait des produits intrinsèquement meilleurs que les autres.

Le choix d'un type de matériel peut-il se faire qu'avec des éléments concrêts de performances et de prix ?
Le classement des matériels sera fonction d'autres critères: rapidité de montage, évolutivité, disponibilité ...

Avec l'arrivée des capteurs solaires thermiques à tubes sous vide, l'offre solaire s'est vue étendue, les réponses sont plus diversifiées.

D'un point de vue pratique, Alpilles-Solaires installe, dès que cela est possible, ses propres capteurs à tubes sous vide pour un aspect purement fonctionnel (praticité, échangeabilité, disponibilité et ... prix de revient ) mais sans jamais nuire aux fonctionnalités attendues. Si le capteur à tubes sous vide ne se justifie pas, le capteur plan est proposé.
Pour des ensembles complets (CESI) le capteur n'est qu'une toute petite partie (essentielle certes) du système. D'autres aspects doivent être analysés: ballon inox? autovidange? basse température ? flexibles inox ou platique? ... Le capteur doit répondre aux exigences du système. Point.
Nous pensons qu'il vaut mieux installer un capteur avec un mauvais rendement au m² mais avec des performances stables sur un toit plat (inférieur à 30%): même si l'on sur-dimensionne pour remplir une partie des besoins de l'hiver, le capteur de sur-chauffera pas trop en été.

Mettre un moteur de 400cv dans une 2CV, ça fait quoi à part faire marrer les copains ?
Acheter une petite voiture qui consomme pas beaucoup pour faire 90.000km par an, quand on est représentant VRP, même écolo, est-ce bien raisonnable?
Acheter un cabriolet comme seul véhicule pour rouler toute l'année, même avec le meilleur rapport poids/puissance et le meilleur rapport qualité/prix, ce n'est pas aller au devant de petits soucis?

Pour une exposition plein sud ou approchée, sans recherche de la performance à tout prix, l'un et l'autre correspondent aux besoins de chacun. c'est avant tout une affaire de dimensionnement.

Avec une exposition plus difficile, une étude technique dira dans un premier temps si l'usage d'un capteur solaire est possible et ensuite et seulement ensuite on choisira les équipements correspondant le mieux à l'usage que l'on en aura.

Le fichier xl ayant servi à la constitution des graphiques est disponible ici.

Comme il est écrit sur un site ami: s'approprier ou consommer.

Pour aller plus loin:

Maintenant que vous avez compris comment lire les caractéristiques des capteurs solaires thermiques, je vous propose d'aller analyser certains capteurs solaires thermiques du marché sur la page suivante:
Détail des capteurs du marché.
Un petit de mot de sympathie ne sera pas de trop si vous avec réussi à lire cet exposé jusqu'au bout et/ou si vous utilisez les outils mis à votre disposition. Vos commentaires seront appréciés et si vous avez quelques remarques à formuler, nous en tiendrons compte le plus tot possible.

contact@alpilles-solaires.fr

F.MYKIETA,
dernière mise à jour le 02/08/2008