NÉCESSITÉ DE RATIONALISER LES RESSOURCES ÉNERGÉTIQUES

L'énergie solaire est la plus abondante source de cette énergie propre.
Aujourd'hui il est devenu indispensable de rationaliser l'utilisation de nos sources d'énergies, pour modifier quelque peu les prévisions pessimistes de certains savants.

Il est beaucoup plus logique de garder les produits pétroliers pour faire fonctionner ce qui ne peut pas fonctionner avec autre chose, c'est le cas actuellement de l'automobile.

Certaines matières plastiques ne peuvent pas être produites à partir d'autres matières que le pétrole.

Par contre, on peut au moins apporter les 2/3 des calories par un chauffage solaire simple, et même, avec un procédé un peu plus élaboré, la totalité des calories.

TROIS ÉNERGIES POUR LE XXI SIÈCLE

A/ L'ÉNERGIE NUCLÉAIRE
"L'énergie de fission est incompatible à la longue avec la race humaine".

La fusion par contre est très prometteuse, et si elle voyait le jour au stade opérationnel, elle pourrait transformer, dans des proportions incroyables, toute la physionomie de notre civilisation.

Mais malgré l'importance de l'enjeu, les spécialistes s'accordent pour reconnaître qu'il faudra au moins 10 ans pour résoudre le problème et 20 à 40 ans avant de passer au stade industriel.

B/ LA HOUILLE ROUGE
Abondante et gratuite, on ne la trouve que sur certains sites privilégiés.

C/ L'ÉNERGIE SOLAIRE
L'énergie solaire est partout présente, parfois abondante, et gratuite. Elle pourrait satisfaire à 80 % nos besoins domestiques.

L'utilisation la plus intéressante de cette énergie est sa transformation en chaleur, car dans ce cas, le rendement est très bon. C'est donc pour se chauffer que son utilisation est la plus avantageuse, d'autant plus qu'à travers les réalisations actuelles, la technique semble prometteuse.

 

PRINCIPES FONDAMENTAUX POUR ABSORBER LES PROBLÈMES POSÉS PAR L'ÉNERGIE SOLAIRE

Les caractéristiques du spectre solaire:
Il est indispensable de connaître la répartition spectrale du rayonnement. En particulier, l'énergie reçue en fonction de la longueur d'onde.

Les récepteurs d'énergie étant sélectifs pour la plupart, il convient de choisir les longueurs d'ondes qui fourniront le plus d'énergie.

Les physiciens ont montré que le corps noir théorique serait le plus absorbant. En pratique des insolateurs rouges ou bleus, ont sensiblement, si l'absorption est bien déterminée, le même rendement énergétique.

L'absorption atmosphérique est un phénomène qui nécessite des mesures compliquées par le fait que le spectre solaire est loin d'être simple. Certaines radiations sont absorbées totalement dans l'atmosphère, dans de larges bandes au-delà de 2 microns et au-delà de 25 microns.

L'absorption infra-rouge est due surtout à la vapeur d'eau et au gaz carbonique.

 

RÉFLEXION SUR LE PROBLÈME DES MATÉRIAUX

Pour avoir un bon isolant, il faut que cet isolant ait :

- une faible conductivité
- une faible absorptivité
- une faible émissivité
- une grande réflexivité

Pour un radiateur, il faut :

- une grande émissivité
- une grande absorptivité

Pour un accumulateur, on doit avoir :

- une grande capacité thermique
- une faible émissivité

APERÇU SUR LES PERTES D'ÉNERGIE PAR RAYONNEMENT QUE PRÉSENTE UNE HABITATION

Pour fixer les idées, les pertes d'une toiture de maison classique , de 100 m2 sont vers 0°C de l'ordre de 100 x 100 = 10 000 watt, c'est à dire pendant la durée d'un jour de l'ordre de 240 KW/heure. Des pertes moins élevées, en raison des échanges avec le sol, mais très importantes, sont à attribuer aux différentes façades.

Si le ciel est clair, les températures des surfaces extérieures de habitations sont notablement inférieures à la température de l'air et les parois des habitations sont, par temps clair, inversées, l'air fournissant des calories aux parois qui se refroidissent par leur propre rayonnement.

Ce dernier phénomène est particulièrement marqué si les parois des habitations sont de couleur claire et captent peu de rayonnement solaire pendant la période diurne, alors qu'elles conservent pratiquement des propriétés de corps noir pour leur propre rayonnement infra-rouge, aussi bien en période diurne qu'en période nocturne.

Une étude systématique des pertes des toitures et des murs verticaux de diverses orientations doit être entreprise en utilisant comme surface de séparation externe divers matériaux.

 

COMMENT CAPTER LE SOLEIL

A/ PRINCIPES DES INSOLATEURS À ABSORPTION DIRECTE
Les insolateurs à absorption directe utilisent le rayonnement global reçu par le soleil tel qu'il se présente à l'endroit ou l'appareil est installé. Ces appareils présentent l'avantage d'utiliser aussi bien le rayonnement direct que le rayonnement diffusé par la traversée de l'atmosphère.

Cette utilisation du rayonnement diffusé est particulièrement intéressante dans des pays où il constitue plus de la moitié du rayonnement global du soleil.

Tout insolateur comporte un corps actif C destiné à l'absorption du rayonnement solaire I tant direct que diffus, qui atteint sa face active A. La face opposée du corps actif est isolée de manière à réduire au minimum les déperditions vers l'arrière de la chaleur produite dans le corps par la conversion du rayonnement solaire en chaleur par le mécanisme de l'absorption.

B/ MÉCANISME DE L'ABSORPTION
Tout rayon électromagnétique qui atteint la face active de l'insolateur y subit les phénomènes suivants :

1°) La réflection spéculaire ou diffuse dans le milieu ambiant ;
2°) La pénétration dans le milieu du corps actif après traversée de la face active ; cette pénétration sera plus ou moins profonde suivant la transparence du milieu du corps actif
3°) L'absorption proprement dite dans le corps actif par conversion de l'énergie électromagnétique reçue du soleil en chaleur communiquée au corps actif.

Le corps actif est conçu de manière à favoriser au maximum l'absorption du rayonnement incident.

Le phénomène d'absorption est le résultat de la destruction du rayonnement incident dont l'énergie électromagnétique est convertie en chaleur qui se développe dans le corps absorbant dont la température tend, en conséquence, à s'élever.

 

PRINCIPE DES INSOLATEURS

INSOLATEUR À ABSORPTION DIRECTE
INSOLATEUR SIMPLE VITRAGE
INSOLATEUR DOUBLE VITRAGE

L'emploi de vitrages est tout indiqué dès que l'on souhaite des températures d'utilisation comprises entre 40° et 70°C.

Un insolateur à effet de serre est muni vers l'avant d'un vitrage simple ou double qui joue le rôle de piège à radiations de la manière suivante :
Grâce à la transparence du verre, les rayons incidents atteignent dans la proportion de 80 à 90% suivant que le vitrage est double ou simple la face active A du corps actif de l'insolateur.

L'absorption du rayonnement solaire par A provoque l'émission des rayons secondaires 2, qui sont des infra-rouges de grande longueur d'onde, vis-à-vis desquels le verre se comporte comme un corps noir.

La vitre V absorbe, en conséquence, le rayonnement secondaire 2 s'échauffe à son tour à une température absolue T, et devient la source d'un rayonnement tertiaire 3 et 3' dont la moitié 3' retourne au corps actif C tandis que la moitié 3 se perd dans l'espace ambiant si l'appareil est à simple vitrage ou est arrêté par la vitre V2 s'il est à double vitrage.

Dans ce dernier cas, le vitrage V2 s'échauffe à son tour à une température absolue T3 et devient la source d'un rayonnement quaternaire 4 et 4' dont la moitié 4 seule est perdue par rayonnement vers l'espace.

Des études plus poussées ont montré que l'on n'a pas intérêt à prendre un nombre élevé de vitres.
En effet, plus le nombre de vitre augmente, moins se fait sentir l'effet de la dernière vitre.

C'est pourquoi, les insolateurs à effet de serre utilisent le plus souvent une ou deux vitres, et, très rarement trois.
La réduction de la transmission d'énergie n'est plus compensée par la réduction des pertes et par le gain de température réalisé.

DISPOSITIONS POSSIBLES DES INSOLATEURS

On peut disposer les insolateurs, soit horizontalement, soit verticalement, soit en position intermédiaire, c'est-à-dire toutes les inclinaisons possibles.
On peut distinguer à chaque cas, la chaleur véhiculée par l'air, et la chaleur véhiculée par un fluide.

A/ HORIZONTALEMENT

1°) Constance d'ensoleillement
Un plan horizontal, à l'inverse des façades, qui selon leurs orientations reçoivent plus ou moins d'énergie, et constamment ensoleillées de la même façon.
Cet ensoleillement ne dépend pas du plan, mais de la position du soleil.

La température atteinte par ce type d'insolateur sera sensiblement uniforme. Même si il y a plusieurs insolateurs indépendants.

2°) Incidence du soleil l'hiver
En hiver, la quantité d'énergie théorique apportées par le soleil est théoriquement de 2,5 KWh/m2 en Décembre, en été au mois de Juin elle atteint 8,8 KWh/m2.

Il est donc peu rationnel d'utiliser ces insolateurs pour chauffer l'hiver.

3°) Problème de la neige et de l'étanchéité
Pour une construction traditionnelle, la neige pose déjà des problèmes pour les charpentes.
Les insolateurs étant recouverts par un vitrage, il ne pourront pas supporter le poids de la neige.

Même si ce problème n'existait pas, la neige est incompatible avec la fonction d'un insolateur. D'autre part, les insolateurs étant réalisés avec des vitres assemblées, il risque d'y avoir des problèmes d'étanchéité.

4°) Limitation de la hauteur des constructions
On admet grossièrement, avec les insolateurs actuels qu'un m2 d'insolateur peut chauffer 10 m2 d'air.
On limite la construction nécessairement à 3 étages, approximativement.
Et, dans ce cas, l'on a forcément des problèmes d'ostraction de l'air chaud, qui s'accumule en toiture.

On peut disposer ces insolateurs horizontalement de 2 façons :

- soit en toiture (Problèmes de convection, difficultés pour freiner les insolateurs en été)
- soit en terrasse (Problème de cache des constructions entre elles, surtout en cas d'habitations individuelles; On retrouve le problème de l'étanchéité des terrasses, de la neige, et de l'accessibilité )

Conclusion:
Cette utilisation des insolateurs, en position horizontale pour chauffer l'hiver, n'est pas intéressante.
L'ensoleillement est trop faible et cette solution soulève beaucoup de problèmes.

Par contre, en supposant le principe de l'accumulation à très long terme résolu, cette solution peut être intéressante.
On peut chauffer tout l'été, dans des conditions optimales, un accumulateur qui restituera la chaleur en hiver.
Le seul problème est celui de l'isolation thermique de l'insolateur et de l'habitation. Mais il peut être possible d'utiliser les déperditions thermiques pour créer un courant d'air qui climatisera l'habitation.

B/ VERTICALEMENT

1°) Meilleure utilisation du soleil en hiver
Les insolateurs peuvent être disposés verticalement en façade, soit Sud, Ouest et Est.

En hiver, les façades Sud, sont fortement ensoleillées, en été, au contraire plus faiblement.
Une façade Sud reçoit théoriquement 7 KWh/m2 en Décembre, et 1,7 KWh/m2 en Juin.

On ne tient pas compte des conditions atmosphériques et des brumes hivernales, puisqu'il s'agit d'ensoleillement théorique. Mais incontestablement, une façade Sud verticale reçoit plus d'énergie en hiver qu'en été.

Dans ce cas, l'on peut améliorer cette propriété en plaçant devant les insolateurs des arbres qui perdent leurs feuilles en hiver.

En été, au contraire, l'ensoleillement de l'insolateur est réduit par les feuilles. On a là une utilisation très intéressante de la végétation.
Un auvent solaire peut encore améliorer cette propriété.

2°) Problème des ombres portées
L'utilisation des insolateurs disposés verticalement en façade Sud, pose un problème d'espacement des constructions. D'autant plus que cette disposition est compatible avec une construction en hauteur.Il est donc tout indiqué de construire ces habitations sur un terrain en pente, le problème de l'effet de masque est résolu.

3°) Limitation de profondeur
On admet comme précédemment qu'il faut 1 m2 d'insolateurs pour chauffer 10 m3 d'air, la profondeur de la construction sera limitée.

Pour fixer les idées, prenons une façade de 10 x 3 m2 sur laquelle on réserve 1/3 en partie éclairante, soit 10 m2.
Les 20 m2 restants peuvent être occupés par les récupérateurs. On peut donc chauffer 200 m3 d'habitation.
Si l'on admet une hauteur sous plafond de 2,70 m avec 10 m de façade, cela donne une profondeur dans le sens Nord-Sud de
200 / (10 X 2,70) = 7,30 m

4°) Convection de la chaleur
La convection de la chaleur, dans ce cas, ne pose pas de problème, l'air chaud peut facilement circuler dans l'insolateur, puisque celui-ci est disposé verticalement.

C/ INCLINE
Il est intéressant de rappeler les résultats théoriques d'ensoleillement reçu par une surface qui reste normale aux rayons solaires.
En hiver, l'augmentation d'énergie reçue par une telle surface est très proche de celle reçue par une façade Sud.
Encore s'agit-il de la solution la plus favorable.

Il est donc peu intéressant en hiver d'avoir un insolateur incliné pour la seule raison d'améliorer son rendement.

Par contre, il peut être intéressant d'augmenter la surface Sud avec un récupérateur intégré à la toiture.

Les problèmes posés se déduisent des observations faites pour les dispositions horizontales et verticales des insolateurs.

 

LES ACCUMULATEURS

Les accumulateurs de calories doivent accumuler une grande quantité d'énergie, sous un volume le plus réduit possible.
Le stockage des calories peut se faire de différentes manières :

- Dans des matières inertes chauffées (l'eau, la roche, les métaux...)
- Dans des réactions physico-chimiques comme la déshydratation des sels en solution ou l'évaporation de l'eau.

Le problème c'est de stocker une grande quantité de chaleur dans un volume faible et à bas prix.

1°) Accumulateurs à matières inertes
La chaleur accumulée varie en fonction des matériaux. Par exemple, pour une élévation de température de 20°C, d'un dm3 de matière, on peut accumuler:

- eau : 20 Kcal
- cailloux : 8 Kcal
- cuivre : 17,8 Kcal
- aluminium : 12,6 Kcal

L'eau accumule beaucoup de calories, mais les réservoirs sont toujours onéreux et nécessitent un entretient important.

2°) Accumulateurs physico-chimiques
Dans un changement physique ou dans une réaction chimique, les échanges thermiques sont bien plus importants qu'avec le simple échauffement de matières inertes (d'où des volumes de stockage moins encombrants, et les T° de stockage peuvent être plus basses, ce qui entraîne une économie d'isolation des containers).

Le problème reste celui du prix des produits chimiques.

3°) Réservoir d'eau chaude pour une longue durée 
On emploie de grands bacs, peu profonds, remplis d'eau, avec un fond noir. Les petits bacs ne sont pas efficaces, à cause des pertes par les parois.

Plusieurs jours de soleil sont indispensables pour amener l'eau du bac à température. Mais l'évaporation de l'eau à la surface empêche d'atteindre de hautes températures : un film d'huile à la surface réduit l'évaporation et permet d'augmenter la température.

4°) Accumulateur de grande capacité
La chaleur produite en été, accumulée dans un grand réservoir calorifugé, contenant de l'eau, atteignant à la fin de la période de charge la température de 90°C.

La solution du réservoir individuel est à rejeter car trop coûteuse. Celle du grand réservoir pour un bloc de 100 appartements est techniquement et économiquement possible moyennant certaines conditions.

DIVERS EMPLACEMENTS POSSIBLES POUR UN ACCUMULATEUR DE CALORIES

A/ EN FONDATION 
On peut disposer un accumulateur dans le vide sanitaire d'une habitation. Cet emplacement permet d'utiliser un volume important.
La masse thermique peut être constituée par des matériaux économiques, des pierres, du béton maigre, ou par une grande quantité d'eau.
Cette masse thermique doit être fortement isolée.

Le coût de l'accumulateur est en partie réduit, puisque l'on utilise une partie de la construction qui sera adaptée et joue donc un double rôle.

B/ EN TOITURE
Déperditions thermiques difficiles à éviter, et plus importantes que dans le cas précédent.

Cette solution n'est envisageable que dans le cas où l'on utilise un accumulateur de faible volume, du type à réaction physico-chimique.

C/ INTEGRES AUX MURS DE LA CONSTRUCTION
C'est le cas d'une maison qui a une forte inertie thermique.

Cette solution peut être intéressante dans la mesure où une partie des accumulateurs peut être intégrée à la construction elle-même.

D/ EXTERIEUR A LA CONSTRUCTION
Cette solution peut être intéressante, dans le cas d'habitations groupées.
Les pertes thermiques ne sont pas récupérées, mais la masse thermique étant autant de fois plus importante qu'il y a de logements, le rendement sera d'autant meilleur.

Le coût de l'installation du réservoir décroissant légèrement avec le volume, s'il s'agit d'accumuler les calories pour plusieurs logements.

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