Le capteur est composé de 30 tubes de verre sous vide qui contiennent chacun une plaque métallique noire absorbant le rayonnement solaire. Sur chaque plaque est soudé un tube en cuivre contenant un gaz sous pression qui a pour fonction de transporter la chaleur récoltée au sein des tubes vers un échangeur de chaleur situé dans la partie haute du capteur. Cet échangeur fait passer la chaleur transportée par le gaz dans un second fluide qui est de l'eau glycolée et qui a pour fonction de vehiculer la chaleur depuis le capteur jusque dans le réservoir (par l'intermédiaire du serpentin situé dans la moitié inférieure du réservoir et d'un circulateur). C'est le circuit de cette eau glycolée qui est représenté dans le schéma ci-dessus.
Il est à noter que le circulateur du circuit d'eau glycolée s'arrête lorsque la température du retour du serpentin (température bleue) atteint 60°C. Cette température maximale de 60°C pour le retour du serpentin est fixée pour des raisons de sécurité : on ne veut pas que la température de l'eau dans le réservoir soit trop élevée en fin de journée, pour éviter tout risque de brûlure. Lorsque la température de 60°C est atteinte à la sortie du serpentin, le circulateur n'envoie plus de fluide pouvant refroidir le capteur solaire. La température dans le capteur (point rouge) monte à ce moment de façon non contrôlée. Elle peut atteindre 250 °C en été, qui est la température à laquelle s'établit un équilibre entre l'énergie solaire reçue par le capteur et celle qu'il perd par rayonnement à cause de sa température élevée. Le circulateur d'eau glycolée n'est autorisé à se remettre en marche que lorsque la température dans le capteur est redescendue en dessous de 110°C (en fin de journée ou lors d'un épisode nuageux).
L'eau dans le réservoir est stratifiée (disposée en couches) : l'eau chaude au-dessus et l'eau froide en dessous. Il y a deux principes à retenir pour pouvoir comprendre le fonctionnement du réservoir :
1) quand une masse d'eau est chauffée dans le bas du réservoir, elle a tendance à monter et cherche à atteindre un niveau plus haut dans le réservoir où l'eau a la même température (c'est ce qui s'appelle l'échange de chaleur par convection).
2) quand une masse d'eau est chauffée dans le haut du réservoir, elle n'a pas tendance à se mélanger avec les couches d'eau plus froides qui sont en dessous d'elle et elle n'échange donc pratiquement pas de chaleur vers le bas (échange de chaleur par conduction).
La moitié supérieure du réservoir est chauffée par le chauffage central, comme avec une installation classique. La moitié inférieure est chauffée par le capteur solaire. En hivers, le capteur solaire "préchauffe" en quelque sorte l'eau qui sera ensuite chauffée par le chauffage central dans la partie haute du réservoir. En été, le capteur donne suffisamment de chaleur pour pouvoir se passer complètement du chauffage central (qui est évidemment à l'arrêt durant cette saison).
La régulation et l'acquisition des données de l'installation solaire a évolué dans le temps. La régulation est assurée depuis mars 2008 par un régulateur Vessmann Vitosolic 200, qui donne une régulation beaucoup plus efficace que l'ancien système Vitosolic 100. Le système d'acqusistion des données de température a également changé plusieurs fois. Entre juin 2008 et le 14 novembre 2008, l'acquisition des données se faisait avec l'aide d'un datalogger Viessmann (fabriqué par Resol sous le nom Datalogger DL1). Cette solution a été abandonnée parce que le datalogger se bloquait périodiquement pour une raison qui n'a pas pu être déterminée (même avec l'aide de RESOL). Avant le datalogger, nous avions utilisé une carte d'acquisition analogique-digitale (National Instruments PCI 6025E) qui repiquait, à l'aide d'amplificateurs, les signaux des sondes de températures de l'installation. Depuis le 14 novembre 2008, nous avons remis en fonctionnement la carte d'acquisition, mais nous avons cette fois-ci installé nos propres sondes de température (Pt100) en parallèle avec celles de Viessman. Nous avons conçu et réalisé nous-mêmes les circuits électroniques nécessaires pour utiliser ces sondes de température. Les mesures sont prises toutes les secondes et à la fin de chaque minute, la moyenne des 60 mesures est calculée et stockée.
Un pyranomètre (du grec pur, feu, ana, dessus et metron, la mesure) a été installé au début novembre 2008. Il s'agit d'un appareil qui mesure le rayonnement d'origine solaire atteignant la surface du sol. Le pyranomètre utilisé est un Eppley PSP (Eppley Laboratory, Inc., Precision Spectral Pyranometer), qui est considéré comme un instrument de référence. Le pyranomètre PSP Eppley équipe de très nombreuses stations météorologiques à travers le monde. Il sert à mesurer le flux de chaleur solaire (en le dirigeant vers le haut) ou terrestre (en le dirigeant vers le bas) et contribue ainsi à établir le bilan radiatif de la Terre qui est à la base de l'effet de serre. Comme il fournit une mesure directe du flux d'énergie solaire atteignant les capteurs solaires thermiques et photovoltaïques, il constitue l'instrument le plus approprié pour mesurer le rendement de ces capteurs.
L'appareil comporte une surface noire absorbante qui s'échauffe sous l'effet du rayonnement lumineux incident. La surface noire est en contact avec la jonction "chaude" d'un détecteur de chaleur qui fonctionne par effet thermoélectrique (thermopile constituée de thermocouples or-palladium). Deux hémisphères en verre Schott transparent à une large gamme de longueurs d'onde protègent la surface noire et la thermopile des intempéries et réduisent les échanges thermiques entre la jonction chaude de la thermopile et l'environnement. Le corps de l'instrument est en bronze massif et sert à fournir une température de référence pour la partie "froide" de la thermopile (jonction de référence). La thermopile fournit un voltage très faible, qui doit être amplifié pour pouvoir être mesuré. Pour notre PSP, nous avons construit l'amplificateur décrit par Harrison et Knight (2006) et nous avons choisi un coefficient d'amplification de 400 ce qui permet d'obtenir une tension de l'ordre de 4 V pour un rayonnement de 1 kW/m² (rayonnement atteint par exemple en avril vers 13h lorsque le ciel est parfaitement clair).
Généralement les pyranomètres sont installés à l'horizontale. Dans notre installation, nous avons incliné le pyranomètre de façon à la mettre dans le plan des capteurs (à 45°, qui est la pente du toit). Il mesure donc exactement l'énergie reçue par le panneau thermique et le panneau photovoltaïque.
Références :
Harrison, R.G. and Knight, J. R.(2006) Thermopile radiometer signal conditioning for surface atmospheric radiation measurements. Review of Scientific Instruments, 77, 116105.
Dogniaux, R. (1982) Les rayonnements solaires, atmosphériques et terrestres. Documentation météorologique. Institut royal météorologique de Belgique, 78 pages.