thumb|Chauffe-eau solaire au sol, utilisant une circulation par thermosiphon. Les capteurs plans sont situés sous le réservoir de stockage. thumb|Chauffe-eau solaire en surimposition toiture, utilisant une circulation par thermosiphon. Les capteurs plans sont situés sous le réservoir de stockage. thumb|Capteur solaire installé en toiture constitué de tubes sous vide. Une surface réfléchissante est installée entre les tubes et la toiture afin d'augmenter le rendement du capteur. thumb|Un capteur solaire thermique auto-construit monté en façade.

Un capteur solaire thermique (ou capteur solaire, ou capteur hélio-thermique, ou encore panneau solaire) est un dispositif conçu pour recueillir l'énergie solaire transmise par rayonnement et la transférer à un fluide caloporteur (gaz ou liquide) sous forme de chaleur. Cette énergie thermique peut ensuite être utilisée pour le chauffage de bâtiments, pour la production d'eau chaude sanitaire ou encore dans divers procédés industriels.

Cette technologie est différente de celle des panneaux photovoltaïques, qui transforment la lumière (les photons) en électricité. Les deux peuvent toutefois être combinées dans des panneaux photovoltaïques et thermiques.

Principes généraux de fonctionnement Un capteur solaire thermique est un échangeur de chaleur qui transforme le rayonnement solaire en énergie thermique.. Il se distingue d'un échangeur classique sur plusieurs points. La densité surfacique du flux énergétique solaire (irradiance) à la surface de la Terre est variable et faible, dépassant rarement, sans système de concentration, . Par ailleurs, le rayonnement solaire incident a une longueur d'onde entre 0,3 et , bien plus courte que celle du rayonnement émis par la plupart des surfaces radiatives.

Le capteur absorbe le rayonnement solaire incident, le transformant ainsi en énergie thermique qui est ensuite transférée à un fluide caloporteur circulant dans le capteur.. Les fluides utilisés peuvent être de l'air, de l'eau ou une huile ou encore un mélange avec du glycol (fluide antigel) notamment pour les systèmes à circulation forcée.. Des matériaux à changement de phase (les sels fondus par exemple) sont aussi utilisés pour les systèmes à concentration.. L'énergie du fluide caloporteur est ensuite utilisée directement ou stockée pour un usage ultérieur.. Le transfert thermique se fait par convection, naturelle ou forcée en fonction du système considéré..

Types de capteurs Il existe différents types de capteurs solaires thermiques. Dans la littérature ils sont généralement classés dans deux grandes familles, les capteurs sans concentration (stationnaires) et les capteurs à concentration équipés d'un système de suivi (traqueur) de la course du Soleil... Les capteurs sur traqueur se différencient par ailleurs selon que le suivi s'effectue suivant un axe ou deux axes. Les caractéristiques d'un capteur déterminent sa plage de températures de fonctionnement et donc les applications pouvant être couvertes.

Capteurs sans concentration (stationnaires)

Capteurs plans thumb|droite|Vue schématique en coupe d'un capteur plan à circulation de liquide avec un tube en serpentin.

Les capteurs plans sont certainement la technologie la plus ancienne, la plus fondamentale et la plus étudiée pour les applications basses températures (eau chaude sanitaire, chauffage)...

Un capteur plan est un système relativement simple composé d'un absorbeur, une surface « noire » absorbant l'énergie solaire et munie de moyens pour transférer l'énergie absorbée vers le fluide caloporteur, ainsi que d'une couverture protégeant l'absorbeur tout en étant transparente au rayonnement solaire. La face arrière de l'absorbeur ainsi que les côtés de la boîte où le tout est inséré sont isolés pour limiter les pertes thermiques par conduction. Dans les capteurs à circulation de liquide le fluide caloporteur circule dans des tubes, remplacés par des conduits dans les capteurs à air..

Couverture La couverture du capteur a pour objectif de transmettre un maximum du rayonnement solaire incident et de limiter les pertes thermiques par radiation dans le domaine infrarouge (effet de serre) et par convection. La couverture protège par ailleurs l'absorbeur, et notamment son revêtement sélectif (voir ci-dessous) des intempéries, qui pourraient entraîner son oxydation notamment..

La couverture est composée d'une ou plusieurs surfaces de verre ou autres matériaux possédant une transmittance élevée pour le rayonnement solaire (rayonnement à ondes courtes entre ) et une transmittance faible pour le rayonnement infrarouge (rayonnement à ondes longues entre ) émis par l'absorbeur. Le verre est un candidat idéal pour réaliser la couverture, de par sa transmittance élevée pour le rayonnement à ondes courtes, son coût faible et sa grande stabilité à long terme. Divers traitements peuvent lui être appliqué afin d'améliorer ses propriétés optiques et notamment son opacité au rayonnement infrarouge.. Le verre trempé à faible teneur en fer a une transmittance élevée pour le rayonnement solaire (entre en incidence normale.) et compte parmi les vitrages solaires les moins chers du marché ( en 2014). Des verres haute performance avec traitement antireflet sont aussi sur le marché pour des prix variant entre en 2014.

Absorbeur

Le fluide caloporteur, très souvent de l’eau mélangée à un antigel de qualité alimentaire de type mono-propylène glycol, passe dans un serpentin ou dans des tubes en « harpe » d’une feuille absorbante en cuivre ou aluminium, le tout placé derrière une vitre, dans un caisson isolé de laine minérale et/ou de mousses composites polyuréthanes (polyisocyanurate) ; la vitre est transparente à la lumière du Soleil mais opaque aux rayons infrarouges de l’intérieur, ce qui piège la chaleur.

Dans les capteurs thermiques, le liquide circule dans des tubes soudés, collés ou clipsés sur une plaque noire appelée absorbeur. Pour obtenir un meilleur rendement, l'ensemble est placé dans une boîte vitrée isolante afin d'obtenir une couche d'air isolante. Avec un bon ensoleillement, et si la température ambiante n'est pas trop basse, un simple réseau de tubes à ailettes peut constituer un panneau avec un bon rendement. L'absorbeur est chauffé par le rayonnement solaire et transmet sa chaleur à l'eau qui circule dans les tubes.

Les premiers absorbeurs étaient peints en noir mat afin de capter un maximum d'énergie lumineuse. Mais la peinture noire mate a souvent l'inconvénient d'avoir une émissivité importante dans l'infrarouge. Ce qui provoque un rayonnement plus élevé depuis l'absorbeur. Ce rayonnement réchauffe la vitre, qui dissipe une partie de cette énergie à l'extérieur, par convection et rayonnement. Ce phénomène augmente les déperditions et nuit au rendement. C'est pourquoi il est intéressant d'utiliser des absorbeurs traités au chrome (par exemple), qui émettent un rayonnement infra-rouge beaucoup plus faible. On parle de surfaces sélectives, elles absorbent bien le rayonnement visible où se situe la grande partie de l'énergie provenant du Soleil (un corps noir à haute température), mais réémettent peu dans l'infrarouge (rayonnement de l'absorbeur, corps à relativement basse température).

Si l’eau ne circule pas, la température interne au capteur monte jusqu’à ce que les déperditions soient égales à l’énergie reçue, ce qui peut entraîner l'ébullition de l'eau. Cette température peut être très élevée en été, l’après-midi, quand les besoins de chauffage sont déjà couverts. On appelle température de stagnation la température de l'absorbeur dans cette situation.

De nombreuses autres innovations techniques ont permis d'augmenter le rendement des panneaux thermiques, telles que : des vitres ayant une faible teneur en fer pour améliorer la transparence (de 85 % à 95 %, si on y ajoute un traitement antireflet) ; des soudures entre la plaque absorbante et le réseau de tuyauterie réalisées par impacts lasers au lieu de sonotrodes (soudure ultrason).

Les capteurs solaires à eau sont utilisés pour le chauffage et/ou pour produire de l'eau chaude sanitaire (ECS) dans un chauffe-eau solaire. Dans les capteurs thermiques à air, de l'air circule et s'échauffe au contact des absorbeurs. L'air ainsi chauffé est ensuite ventilé dans les habitats pour le chauffage ou dans des hangars agricoles pour le séchage des produits.

Les capteurs non vitrés sont par exemple les capteurs moquette, d'une structure très simple (réseau de tubes plastiques noirs, le plus souvent en EPDM), utilisés essentiellement pour le chauffage de l'eau des piscines, en été, ou les capteurs non vitrés à revêtement sélectif, à irrigation totale, en acier inoxydable, utilisés essentiellement pour le préchauffage d'eau chaude sanitaire, le chauffage à basse température de plancher chauffant et le chauffage des piscines.

Capteurs à tubes sous vide Le fluide caloporteur circule à l'intérieur d'un tube sous vide simple ou double. Le vide améliore l’isolation contre les pertes en convection, par rapport au capteur précédent. Deux principes sont rencontrés : le premier principe est le même que pour les capteurs plans vitrés, le fluide caloporteur parcourt le tube en aller et retour pour recueillir la chaleur ; le second est plus poussé technologiquement, il fait appel à un caloduc, utilisant un second fluide caloporteur restant dans le tube (voir article détaillé, à faire dans tube sous vide).

Capteurs à concentration thumb|left|Concentrateur solaire dans une centrale solaire thermodynamique ; ce genre de miroirs cylindro-paraboliques peut être utilisé pour le chauffage domestique.

Marché et évolutions technologiques

Dans le monde en 2020, la grande majorité (69 %) des installations solaires thermiques est pourvue de capteurs à tube sous vide. Cela s'explique par la part importante de la Chine sur le marché du solaire thermique (72,8 % de la surface totale installée dans le monde). Dans ce pays, 88 % des capteurs sont de type tubulaire sous vide, dont la part atteint 54 % dans le reste de l'Asie, 21 % en Afrique sub-saharienne, 17 % en Europe et moins de 10 % dans le reste du Monde. En Europe, ce sont les capteurs plans vitrés qui dominent (81 %), alors qu'en Amérique du Nord 88 % des capteurs installés sont de type plan non vitré.

Les capteurs à eau dominent par ailleurs très largement le marché. En 2020, les capteurs à air ne représentaient que 0,2 % de la capacité totale mondiale installée.

Ces différences importantes s'expliquent par plusieurs facteurs, tels que le type d'application, le climat, les habitudes des installeurs, l'historique de la production industrielle des capteurs dans chacun des pays considérés, etc.

+ Répartition de la puissance installée (MWth) des capteurs par types et par pays en 2020,pour les dix premiers pays du monde Pays Capteurs à eau Capteurs à airTotal [MWth] Non vitrés Plans vitrés À tubes sous vide Non vitrés Vitrés 5 2 9 1248950 328 13 135 9 167 175 7 6 16 31 468 Total Monde 641 343

+ Répartition de la surface installée (millions de m) des capteurs par types et par pays en 2020,pour les dix premiers pays du monde Pays Capteurs à eau Capteurs à airTotal (Mm²) Non vitrés Plans vitrés À tubes sous vide Non vitrés Vitrés 60,78 459,21 520,00 17,15 9,16 0,01 26,32 22,58 3,02 0,18 0,13 0,07 25,98 0,47 17,31 2,11 0,02 19,91 7,37 11,16 0,19 18,73 4,36 12,02 0,01 16,39 5,75 3,43 0,24 0,25 0,01 9,68 1,64 1,89 1,58 0,01 5,12 4,97 0,02 4,99 0,04 4,23 0,67 4,95 Total Monde 43,88 177,43 491,91 0,92 0,49 714,63