Fabrication d'un panneau solaire thermique

Le prototype en phase de tests.
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.

 
Principe de fonctionnement :
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’ils sont exposés quelques temps au soleil. En effet, moins un corps reflète de lumière - c'est pour cela qu'il nous apparaît 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 réémis 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'abris 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 aux mêmes performances qu'il fasse 15°C ou 30°C dehors, pour peu qu'il y ait du soleil et que son élévation (dépendant de la saison) soit identique !
 
Réalisations & photos :
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 assemblé 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 inconvenants : Il y a une légère perte de surface active dû au chevauchement des plaques, le sciage et le perçage des plaques demande du temps... A vous de voir !
Dans tout les cas, prévoir des rondelles frein ou des contres écrous pour éviter un désassemblage inopiné par le jeu inévitable occasionné par les dilatations thermiques !

 
Transmission de la chaleur & fixation du serpentin
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 devraient vous aider en vue de la réalisation.

 
L'assemblage des différents éléments 

Le schéma hydraulique simplifié de l'installation solaire (Si possible, Installer le vase d'expansion coté "bleu" pour limiter les risques de tartre)
 

Dessin technique de mon prototype de 1m² (Version non réalisée mais parfaitement fonctionnelle)
(Cliquez ici pour l'agrandir)

Performance :

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

Mise en place :
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.
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 faut également installer un clapet anti-retour 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 ! Par contre, 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 !
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, 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.

Réalisation Matthieu WEBER