Fabriquer un panneau solaire thermique

L’énergie solaire en France comme dans de nombreuses régions du monde présente l’avantage d’être disponible gratuitement, durablement et de fournir une puissance non négligeable (850 watts par mètres carrés en moyenne sous nos latitudes par une journée bien ensoleillée). L’achat de panneaux solaires photovoltaïques n’est réellement rentable pour le particulier que dans certains cas bien précis : Une habitation isolée, ou bien si les aides de l’état sont vraiment valables. Hormis le coût d’achat du panneau, son piètre rendement et les batteries pour stoker l'énergie à changer tout les 10 ans, il faut savoir que fabriquer un panneau solaire demande beaucoup, beaucoup d’énergie, et d’argent !

Cependant, il existe un autre type de panneau solaire moins cher à l’achat, et de surcroît réalisable aisément par tout bricoleur pour peu qu’il sache manier un marteau, une scie, et, éventuellement, une lampe à souder (petit chalumeau) de type « Camping Gaz ».

Nous allons nous intéresser à la fabrication d’un panneau solaire de type thermique destiné à chauffer de l’eau ou tout autre liquide. Le coût le plus élevé dans l’installation sera celui du ballon d’eau chaude qui devra comporter un serpentin pour communiquer la chaleur produite par le panneau à l’eau du ballon. De plus, ce dernier devra comporter une résistance électrique pour faire l’appoint pendant les périodes de mauvais temps, sans oublier le vase d'expansion, mais ceux ci sont les éléments classiques d'une chaudière (il existe néanmoins une solution permettant de se passer de vase d'expansion, et limitant les surchauffes estivales et le gel en hiver, appelé "Drain back"). C'est cette dernière solution décrite en fin d'article que je mets en œuvre, courant 2011, dans la maison.

Le principe du panneau solaire thermique qui n'a absolument rien à voir avec son homologue photovoltaïque et repose sur l'effet de serre. Mais le principe général, bien que connu de tous peut sembler moins évident pour peu que l'on commence à rentrer dans les détails !

Vous avez sans doute remarqué que les objets de couleurs foncées sont plus chauds que ceux de couleurs claires lorsqu'il sont exposés quelques temps au soleil. En effet, moins un corps reflète de lumière - c'est pour cela qu'il nous apparait foncé - , plus il absorbe d'énergie solaire dans la gamme du spectre visible. Il faut savoir également qu'un "corps noir", nom scientifique donné aux objets absorbant le rayonnement solaire, dans notre cas, réémet de l'énergie sous forme de rayonnements infrarouges, et ceux, d'autant plus qu'il est foncé. Ainsi une surface blanche s'échauffe bien moins et plus lentement au soleil, mais dispense plus lentement son énergie ensuite, la nuit par exemple.

Nous avons donc tout intérêt à utiliser une surface noire parcourue par un serpentin de cuivre où y circule de l'eau. Mais le fait que cette surface sombre perde plus de chaleur qu'une surface blanche, est-ce gênant ?

En fait, pas du tout, car c'est la qu'intervient notre effet de serre. Si l'on place la plaque noire dans une enceinte recouverte d'une vitre ordinaire, le tout exposé au soleil, la vitre va laisser passer les rayon visibles, (C'est tout l'intérêt d'une fenêtre!) mais bloquer les rayons infrarouges qui sont reémis par notre corps noir ! Les infrarouges seront réfléchis sur la vitre et seront ensuite redirigés sur la plaque et de ce fait, la température de la plaque et de l'enceinte va grimper... D'autant plus qu'elle est à l'abri du vent.

Il ne reste plus alors qu'à communiquer cette chaleur produite à de l'eau via un tuyau de cuivre serpentant en contact avec la plaque de cuivre. D'ailleurs, sans cette eau pour "refroidir" le panneau, la plaque pourrait sans doute aisément dépasser les 200°C en pleine canicule !

Notre panneau solaire fonctionne ! Il repose sur la captation de rayonnement solaire et non de conduction thermique (sauf pour le tuyau d'eau). Ainsi un panneau solaire fonctionnera quasiment au même performances qu'il fasse 15°C ou 30°C dehors, pour peu qu'il y ai du soleil et que son élévation (dépendant de la saison) soit identique!

Le prototype final, déviant quelque peu du plan original que j'ai tracé, à une surface de 1,75 m². En effet 1m² aurait été un choix plus judicieux pour pouvoir effectuer aisément un calcul du rendement et évaluer rapidement les performances du panneau solaire, mais le panneau d'aluminium que j'ai trouvé faisait 2m²; j'ai choisis donc de l'exploiter au maximum pour rentabiliser son achat (80 euros). Le châssis est réalisé en menuiserie bois assemblées avec des vis, mais rien ne vous empêche d’utiliser d’autres matériaux comme l’aluminium, le composite ou l’acier. Une couche de laine de roche ou de laine de verre isole l’intérieur du panneau pour limiter les déperditions de chaleur. Dans mon cas, j'ai utilisé un matériau isolant "nouvelle génération" composé d'un assemblage mille-feuilles de feuillards d'aluminium plastifié (mylar) et de dacron que l'on trouve facilement dans tout magasin de bricolage. Son épaisseur (2-3cm) est moindre comparé à la laine de verre. Il est agrafé sur les parois intérieures du coffre.

Un tuyau de 10 m de cuivre recuit de 10 ou de 12 est déployé en serpentin sur une plaque de cuivre (ou d'aluminium, comme utilisé ici, moins cher mais également moins performant).

L'énorme avantage du cuivre recuit c'est qu'il ne requiert pas de cintreuse pour former les coudes. Il se plie à la main (attention à ne pas former d'angle droits, commencez par faire des rayons de courbures importants que vous réduirez ensuite, sous pêne de pincer votre tuyau. Vous épargnerez donc l'achat de coudes à souder, de plus, pour une longueur de 10 m, le cuivre recuit est moins cher que les tuyaux de cuivre vendu par tubes de 2,5m.

Cette plaque, appelée surface active constitue la surface absorbante du panneau. Le tuyau est soit soudé (au cuivre ou à l'étain si la plaque est en cuivre), soit vissé à l'aide de demi-colliers de serrage (pour plomberie) sur cette dernière pour bien plaquer le tuyau... sur la plaque. Dans ce dernier cas, espacer les colliers de 15 cm maximum pour que le tuyau soit bien en contact et que le transfert de chaleur de la plaque ver le tuyau soit optimum. Ajoutez éventuellement de la graisse de conduction thermique (non utilisée ici).

Autre solution utilisée ici, découper la plaque d'aluminium de 2mm d'épaisseur en lames de 25cm de large, et les visser entre elles en enchâssant le tuyau (voir photos), entre deux plaques se chevauchant de 3cm. Deux couples vis-écrou enserrent le tuyau entre les plaques. L'avantage de cette solution, comme le montre le croquis ci-dessous, est de permettre un transfert de chaleur venant de deux points de contact du tuyau, au lieu d'un seul sinon. Veillez à ne pas trop serrer les vis car le tuyau de cuivre recuit risque de s'écraser de façon non uniforme et de ne plus être parfaitement en contact avec la surface active (ce qui est le cas de mon prototype testé ici).

En outre, cet assemblage présente de petits inconvénients : Il y a une légère perte de surface active dû au chevauchement des plaques, le sillage et le perçage des plaques demande du temps... A vous de voir !

Dans tout les cas, prévoir des rondelles frein ou des contre-écrous pour éviter un désassemblage inopiné par le jeu inévitable occasionné par les dilatations thermiques !

Une fois la plaque fixée dans le coffre, par des vis, le coté exposé au soleil de cette première est noircie à la peinture pour ferronneries (une peinture noir mat résistante à la chaleur). Il est également possible de noircir la plaque avec du noir de fumée (En se servant d'une flamme de bougie ou de chalumeau mal réglée par exemple). Enfin, une plaque de verre de 8 à 15 mm d’épaisseur ferme le dessus du coffre, permettant de recréer un effet de serre dans l’enceinte. L’épaisseur du verre sera choisi en fonction du risque de gèle dans votre région ! Le croquis ci-dessous et les photos devrait vous aider en vue de la réalisation.

(Si possible, Installer le vase d'expansion coté "bleu" pour limiter les risques de tartre)

(Version non réalisée, mais parfaitement fonctionnelle et plus simple à fabriquer)

Diagramme de performances T°C / f(t) relevé à Brest en août 2007, il y faisait 24°C.

Volume d'eau chauffé	Température de départ	Température de fin	Élévation de température	Durée de chauffe	Énergie apportée		Puissance restituée		Puissance restituée pour 1 m²	Rendement brut, hors ballon, échangeur
Litres	°C	°C	°C	Minutes	Kcal	Kwh	Kcal/h	Watts	W/m²	%
13	28	65	37	30	481	0.8	962	1118,1	639,27	63,9

L'énergie E exprimée en Calories nécessaire pour élever la température de n grammes d'eau de y °C est E = n X y. Soit 13000 X 37 = 481 Kcal
On divise E par la durée de l'expérience en heures (ici 30 min = 0,5 heures) et l'on obtient des Kcal/h : 481 / 0,5 = 962 Kcal/h.
Or 1 kcal/h = 1,1622 W soit 962 X 1,1622 = 1118,1 W.
Il ne reste plus qu'à diviser ce résultat par la surface du panneau pour obtenir des W/m² soit 1118,1 / 1,749 = 639,27 W / m²
Le rendement est le rapport entre puissance solaire reçue (solaire + effet de serre naturel = 1000 W/m², pour une inclinaison optimale du capteur) et celle servant effectivement à chauffer l'eau: 639,27 W / m².

Sachez que la pose d'un panneau solaire doit être précédé d'une déclaration de travaux. Dans l'hémisphère nord, l'orientation idéale du panneau sera bien évidement vers le sud, avec une tolérance de +/- 15°. L'élévation idéale (c'est à dire son inclinaison par rapport au sol) correspondra à la latitude du lieu + 10° pour mieux profiter du soleil hivernal. Ex: pour la France: Paris (48° + 10°)...

...Mais dans la pratique, la pente du toit de la maison offre un angle plutôt optimal. Les toits moins conventionnels, comme ceux des maisons en montagne, plus pentus pour éviter l'accumulation de neige pourront concevoir un système de châssis pour adapter au mieux l'inclinaison du panneau.

Le ballon d'eau chaude devra impérativement être placé au dessus du panneau solaire si vous utilisez un système de thermosiphon pour faire circuler l'eau (permettant de se passer de pompe de circulation). Il n'y a aucune régulation électrique ou mécanique à prévoir, l'eau circule uniquement si y a une différence de température entre l'eau du ballon et celle circulant dans le panneau solaire. Donc le système démarre si il y a besoin (et assez de soleil) pour chauffer de l'eau ! (Un internaute, Phillipe, que je remercie; me signale à juste titre qu'il est inutile de prévoir un clapet anti-retour dans ce cas de figure, car l'eau dans le ballon sera toujours plus chaude durant la nuit que celle contenue dans le panneau solaire, et ne pourra donc pas redescendre se refroidir dans le panneau, en revanche il est recommandé pour le cas d'un ballon installé au sol).

Si vous utilisez une pompe, il n'y a pas de restrictions pour le ballon d'eau chaude. Mais il faut prévoir une régulation électronique qui activera ou non la pompe de circulation si le panneau solaire est en mesure de chauffer de l'eau.

Placez le vase d'expansion du coté départ d'eau froide pour minimiser la formation de tartre dans le circuit. Dans les régions froides (là où en hiver on passe sous les zéro degrés), il faut adjoindre de l'antigel (glycol) au circuit d'eau du panneau solaire pour éviter de faire éclater les tuyaux durant les hivers rigoureux.

Si vous installez le ballon d'eau chaude sous le panneau solaire (au rez-de-chaussée par exemple, comme le montre le schéma hydraulique simplifié), il conviendra également installer un clapet anti retour (en plus de la pompe) sinon le cycle de circulation de l'eau s'inversera durant la nuit: Dans pareil cas, votre ballon d'eau chaude chauffera le panneau solaire !

Un autre internaute, (Merci à toi Alban) me signale à juste titre qu'avec le temps (quelques années) il y a une réaction chimique qui se fait entre le contact permanent du cuivre et de l'alu (électrolyse), il a remarqué cela dans de nombreuses installations de ce type, cela détériore les 2 matériaux et impossible ou quasi de rattraper cette fusion chimique.

La solution que je préconiserait est bien sur d'empêcher toute entrée d'eau dans le panneau en rendant déjà le caisson bien étanche, mais également en peignant et mastiquant soigneusement toute la surface du tuyau de cuivre si possible en débordant un peu sur la surface en aluminium au niveau de son parcours sur la plaque d'aluminium et enfin, en mettant un (gros) sachet de sel absorbant d’humidité dans le caisson. On peut aussi apposer le serpentin coté face exposée au soleil, dans ce cas, la peinture noire devra bien recouvrir la surface en aluminium et le tuyau de cuivre pour empêcher tout contact avec de l'air humide. Cette solution est encore plus simple et apporte un (très léger) mieux en termes de performances !

Voici le schéma de l'installation de chauffage et de production d'eau chaude sanitaire que j'ai prévu d'installer dans la maison (voir le blog).

La pompe A fait monter l'eau dans le panneau solaire. Cette même eau (qui n'est pas sous pression, pure et sans ajout de glycol) s'écoule naturellement (il faut orienter les serpentins du panneau solaire dans le sens de la pente du toit) vers le ballon d'eau chaude.

Si l'on coupe la pompe, (panneau de courant, eau proche de son point d'ébullition, ou durant la nuit (gel...)), le capteur se vide dans le ballon et dans le petit réservoir tampon situé au dessus "Ballon drain-back". L'appel d'air nécessaire à la descente de l'eau est assurée par une prise d'air, une autre est également placée sur le "Ballon drain-back".

Le reste du schéma est (à peu près) classique : La pompe C fait office de circulateur de chauffage dans un mur de terre crue qui rayonnera la chaleur dans la maison, tout en faisant office de masse thermique.

La pompe B assure un appoint de chaleur via un poêle à granulés de bois, automatique, en cas de défaut prolongé de soleil.

L'eau chaude sanitaire est assurée par un ballon "bain marie" inclus dans le premier ballon d'eau chaude, se réchauffant avec l'eau chaude fournie par le solaire et / ou le poêle à granulés de bois.

Attention! Je n'ai pas encore mis cette solution en œuvre , ce sera fait d'ici l'été 2012, je vous tiens au courant des performances du système...


La plaque d'aluminium constituant la surface active	Réalisation du coffre (en bois peint)

Assemblage des panneaux. Méthode par enchâssement du serpentin de cuivre recuit	Détail après peinture de la surface active panneau et pose de l'isolant (juste avant fixation définitive de la surface active)

Détail du système (improvisé) de circulation d'eau	Détail de l'enchâssement du serpentin. Ne pas oublier de mettre des rondelles frein sur les vis