État de l’art des systèmes solaires et d’optimisation des paramètres

Le soleil est probablement la source d’énergie la plus disponible sur Terre. Une énergie qui peut se transformer en chaleur, par le moyen des panneaux solaire thermiques, ou en électricité, par le moyen des cellules photovoltaïques. Après la crise pétrolière dans les années 70, l’Europe commence à concentrer ses efforts pour réduire sa dépendance aux énergies non renouvelables en provenance des sources fossiles qui se concentrent dans des régions géographiques spécifiques dans le monde. Or, dans ces dernières décennies, la motivation change à cause de l’urgence environnementale et par les soucis écologiques. Ces efforts ont débuté avec les petits systèmes solaires individuels pour la production d’eau chaude sanitaire, puis, à partir du milieu des années ’80, avec les systèmes solaires combinés. Soutenue par les recherches scientifiques, cette tendance se renforce aujourd’hui ; le milieu industriel trouve cette technologie intéressante en vue de la création d’un nouveau marché plus écologique et durable. 1.1.1 Chauffe-eau solaire individuel (CESI) Les premiers chauffe-eaux solaires ont été commercialisés aux Etats-Unis entre les années 1890 et 1920 [1]. En France, on commence à maîtriser l’installation des Chauffe-Eau Solaire Individuel (CESI) dans les années ’70 ; ce secteur a connu un développement stable durant les années ‘90 [2].

Système solaire combiné (SSC)

La connexion directe entre le panneau solaire et le plancher chauffant se fait sans aucun stockage temporaire d’énergie ; en revanche, une partie de l’énergie est stockée grâce à la masse du plancher et à l’inertie de l’enveloppe du bâtiment. Avec ce système, un chauffage d’appoint s’impose car il se trouve que l’inertie du plancher rend le temps de réponse assez long ce qui entraîne une gêne occasionnelle lors du démarrage du système. La conception et la philosophie de régulation de ce système jouent néanmoins un rôle primordial dans la performance finale obtenue, ce qui varie d’un fabricant à l’autre. Le système PSD a été commercialisé principalement en France entre 1986 et 1992 ; moins de 300 unités de PSD ont été vendues avant l’an 2000 [3]. Nous pourrions attribuer cette tendance à une régulation (contrôle-commande) non-adaptée à ces systèmes ainsi qu’à leur conception qui reste, dans la plupart des cas, rarement optimisée (faute de procédure de dimensionnement) ce qui décourage les investisseurs potentiels. Les Systèmes Solaires Combinés (SSC) emploient la même approche multifonction que celle des PSD ; ils sont capables de fournir de l’ECS et du chauffage ; la typologie de SSC rajoute cependant un stockage d’énergie thermique captée ou de celle produite au sein du système. Un SSC dispose donc d’un stockage thermique sous forme de ballon hydraulique qui se recharge par la source solaire ; puis cette énergie sera soustraite en fonction des besoins du système [4].

Quand les premiers systèmes solaires combinés ont fait leur apparition sur le marché, des conceptions complexes ont envahi le domaine des SSC. La majorité de ces conceptions cherche à répondre aux exigences des conditions locales spécifiques comme : le climat, les contraintes techniques du site d’installation et le type de bâtiment associé. Cette divergence des conceptions a mené à une coopération internationale dans le cadre de la Tâche 26 de l’Agence Internationale de l’Energie (AIE) en 1998. Cette collaboration a permis d’analyser et de classer le plus grand nombre possible de conceptions de SSC au niveau international. La Tâche a mobilisé 25 experts dans 9 pays membre de l’AIE ; le rapport final de la tâche a analysé 21 modèles de SSC. Ce travail a ainsi contribué d’une façon directe à la valorisation des conceptions les plus performantes présentent sur le marché ; suite à cette tâche, des efforts de normalisation des installations solaires ont été lancés en 2004 [5]. Actuellement, nous n’avons pas de définitions communes des termes ou des procédures standardisées de test pour ce type des systèmes solaires. Aucune méthode n’est actuellement disponible pour trouver la solution dite « la meilleure » pour une conception proposée d’un système solaire multifonction dans des conditions données ; ce qui constituera donc le sujet principal de cette étude.