Le solaire thermique

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Les Capteurs

1) Capteurs plans

Le capteur solaire comprend une plaque et des tubes métalliques noirs. Ils constituent l’absorbeur, recoivent le rayonnement solaire et l’échauffent. Un coffret rigide et isolé thermiquement entoure l’absorbeur. Sa partie supérieure, vitrée, laisse pénétrer le soleil et retient la chaleur comme dans une serre.

Fabricants d'absorbeur

Alanod

Sunex

Matériaux d'absorbeur:

Cuivre:
Le cuivre possède plusieurs propriétés avantageuses. Il a un taux de transfert de chaleur très élevé (400 W/mK) et il est relativement facile à traiter. Il n'y a pas de risque de corrosion.
L'inconvénient principal, c'est son prix élevé par rapport à d'autres matériaux.

Aluminium:
L'aluminium est léger et il a un taux de transfert de chaleur assez élevé (210W/mK). Il est moins cher que le cuivre.
En revanche, l'aluminium est très sujet à la corrosion en présence d'oxygène et il consomme beaucoup d’énergie lors de sa production.

Acier:
L'acier est relativement facile à traiter et il demande peu d’énergie lors de sa production. En outre il est relativement bon marché.
Il a néanmoins plusieurs inconvénients: son poids est très élevé et son taux de transfert de chaleur assez faible (50W/mK). Il est également très sensible à la corrosion.

Acier inoxydable:
L'acier inoxydable ne comporte pas de risque de corrosion et il a une durée de vie très longue.
En revanche, il est assez cher et lourd. Son taux de transfert de chaleur est très faible (20W/mK) et il consomme beaucoup d’énergie lors de la production.

Revêtement des absorbeurs

Concepts anciens:


a) Absorbeur non sélectif
Les revêtments non-sélectifs d'absorbeur (ex. des peintures solaires) ont des coefficients d'absorbtion de 0,90 à 0,95. Les coefficients d'émission s'étendent entre 0,85 et 0,95.

b) Absorbeur sélectif à revêtement en oxyde d'aluminium pigmenté au nickel
c) Absorbeur sélectif à revêtement en chrome noir
d) Absorbeur sélectif en acier avec revêtement en sulfure/oxyde de cobalt
e) Absorbeur sélectif en acier émaillé

Revêtement des absorbeurs modernes

Aujourd'hui, les revêtments sélectifs d'absorbeur ont des coefficients d'absorbtion de 0,95 ou plus dans le spectre solaire. Les coefficients d'émission varient entre 0,05 et 0,15.

Il y a trois méthodes principales pour déposer ces couches très minces de quelques microns sur le substrat:
a) Procédés galvaniques
b) Pulvérisation cathodique ("sputtering")
c) Vaporisation
- PVD (Physical Vapour Deposition): le dépôt physique en phase gazeuse
- PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition): le dépôt chimique en phase gazeuse

Type d'absorbeur:

a) Absorbeur à serpentin

KBB - Absorbeur à surface pleine en forme de serpentin (cuivre) soudé au laser avec tôle en aluminium à revêtement sélectif

Solarbayer

b) Absorbeur "type échelle" ou harpe

KBB - Absorbeur en forme de harpe (cuivre) soudé au laser avec tôle en alluminum à revêtement sélectif

c) Absorbeur avec transfert de chaleur sur toute la surface

Fabricants de capteurs plans: AES (Ecosse), AET (USA), AKS Doma (Autriche), Alwec (Espagne), Amcor (Israel), Anu Solar Power (Inde), AO Sol (Portugal), Aqua Sol (Barbados), Aquecedores Cumulus (Brésil), Arcon (Danemark), Astersa (Espagne), Avant Solar (Espagne), Batec (Danemark), Baymak-Baxi Group (Turkie), Bosch (Allemagne), Bipin Engineers (Inde), Bubbling Springs (USA), Buderus (Allemagne), Bufete de Tecnologia-Butecsa (Mexique), Calpak (Grèce), Captasol (Mexique), Chiryu Heater (Japon), Chromagen (Israel), Citrin (Allemagne), Clipsol (France), Cofer-Companie Française des Energies Renouvelables (France), Colsol (Brésil), Cordivari (Italie), Cosmosolar (Grèce), Costruzioni Solari (Italie), Dagsan (Turquie), Dawn (USA), Derya Günes (Turquie), Dimas (Grèce), Ecosol (Italie), Egyptian Solar Energy Systems (Egypte), Elcora (Chypre), Emmvee (Inde), Enalter (Brésil), Enerworks (Canada), Enolar (Inde), Ensol (Pologne), Eraslan (Turquie), Ergom (Pologne), Ernst Schweizer (Suisse), ESE (Belgique), Ezinc-Piac (Turquie), Fenis (Turquie), Fivestar (Chine), Fogaosol (Portugal), GMP (Italie), Gasokol (Autriche), Geo-Tec (Autriche), Giordano (France), Grand Solar (Corée), Greenonetec (Autriche), Grupo Unisolar (Espagne), Helioakmi (Grèce), Heliodyne (USA), Heliomex (Mexique), Helional (Grèce), Heliotek (Brésil), Hewalex (Pologne), Hucu (Espagne), Ibersolar (Espagne), iG SolTherm (France/Chine), Innosolar (Chine), Innovar (Argentine), Intersolar (Grèce), Isofoton (Espagne), Istek (Turquie), Itho Images (Pays-Bas), J-7 Engineering (Thailand), Jain Irrigation (Inde), Jay Industries (Inde), Jehin (Corée), Johnsun (Chypre), Kamal (Inde), Kangnam (Corée), Kaushal (Inde), KBB Kollektorbau (Allemagne), Kotak (Inde), LKN (Espagne), Maltezos (Grèce), Merloni Termonsantari MTS (Inde), Metalco (Chypre), Missy (Hong Kong), Modulo Solar (Mexique), Nau (Allemagne), NES-New Energy Systems (Bulgarie), Nimrod (Israel), Nobel (Grèce), NRG (Inde), OCV (Espagne), Ökotech (Autriche), Papaemmanouel (Grèce), Power Partners (USA), Promasol (Espagne), Propuls (République Tchèque), R and R Solar Supply (Hawai), Rand Solar Energy (Israel), Rashmi (Inde), Rayosol (Espagne), Rheem (USA), Riello (Belgique), Rinnai (Nouvelle Zélande), Rotex (Allemagne), Ruperti (Allemagne), Sammler (Grèce), Saunier Duval (France), Schüco (Allemagne), Sela (Espagne), Ser-Gün (Turquie), Shenzhen Commonpraise (Chine), Sigma (Grèce), Siko (Autriche), Sines (Tunésie), Solar Construct (Ouganda), Solardome (Afrique du Sud), Solar Dynamics (Barbados), Solarfocus (Autriche), Solar Hybrid (Allemagne), Solarinox (Portugal), Solarnor (Norvège), Solarroofs (USA), Solar Skies (USA), Solartech (Malaisie), Solar Tubes ( ), Solar Twin (Grande-Bretagne), Solchrome (Inde), Sole (Grèce), Soletrol (Brésil), Solimpeks (Turquie), Solvis (Allemagne), Sotec (Allemagne), STI (Allemagne), Sudarshan (Inde), Sunbank Solar (USA), Sunda (Chine), Sunergy (Pologne), Sunex (Pologne), Sunjunior (Japon), Sunmark (Danemark), Sun Master (Autriche), Sun Ray (France), Sunsiaray (USA), Sunstrip (Suède), Sunway de Mexico (Mexique), Sunwin (Autriche), Tata BP Solar (Inde), Termicol (Espagne), TGS-Technology Green Solutions (Thaïland), Thermal Conversion/TCT Solar (USA), Thermo Dynamics (Canada), Thermosolar (Allemagne), Tisun (Autriche), Transsen (Brésil), Tuma (Brésil), TWI Spol (République Tchèque), Vaillant (Allemagne), Viessmann (Allemagne), Vijaya (Inde), Viridian (Grande-Bretagne), Wagner (Allemagne), Wallnöfer (Italie), Watt (Pologne), Weishaupt (Allemagne), Westech (Chine), Winkler (Autriche), Wolf (Allemagne), Xeliox (Italie), Yasol (Chine), Yazaki (Japon), Zen International (Pays-Bas)

Coffrets de panneaux plans

Depuis longtemps, la plupart des coffres sont faits en aluminium. Il existe aussi des coffres en bois, en plastique et en acier galvanisé.

Couverture des panneaux plans

La couverture doit assurer la protection de l'absorbeur contre les effets de l'environnement (pluie, grèle, neige, vent, rayonnement UV...). Il doit également garantir l'isolation thermique. Le rayonnement solaire doit être réfléchi au minimum et la lumière doit être absorbée aussi peu que possible.

Pour la couverture des panneaux on utilise de l'acrolyte, du verre transparent ou canelé.

2) Capteurs à tubes sous vide

Le vide est le meilleur isolant connu. Dans les capteurs à tubes sous vide, l'isolation est créé en plaçant un tube de verre extérieur autour des absorbeurs intérieurs. Un vide remplit l'espace libre, afin de réduire les déperditions de chaleur par convection ou par conduction thermique. Ainsi les capteurs à tubes sous vide atteignent en générale des températures sensiblement plus élevées que les capteurs plans. L'intensité du vide est d'une importance décisive pour l'interruption du mécanisme de transfer de chaleur. La pression doit être réduite très au-dessous de la pression atmosphérique.

Fabricants de capteurs à tubes sous vide: AkoTec (Allemagne), AMK (Suisse), Aucklat (Chine), Augusta Solar (Allemagne), Bejing Sunda Solar (Chine), Calpak Cicero (Grèce), Consolar (Allemagne), DPI-Solar (Allemagne), Elco (Suisse), ESE (Belgique), Euro-Sun (Allemagne/Chine), Foshan Shunde Aulun (Chine), Giordano (France), Greenotec (Autriche), Haining City Baoguang (Chine), Haining Xianke (Chine), Hewalex (Pologne), Himin (Chine), Hiramrut (Inde), Ibersolar (Espagne), Jiangsu Sunrain (Chine), Kingspan Thermomax (Grande-Bretagne), Kloben (Italie), Lenz (Allemagne), Lucky Solar (Chine), Merloni Termo Sanitari (Italie), MF Technik (Hongrie), Microsolar (Malaisie), Missy (Hong Kong), NTS-Narva (USA), Oventrop, Paradigma (Allemagne), Philippine (Allemagne), Pleion (Italie), Projprzem-Eko (Pologne), Ravotek (Thaïland), Ritter Solar (Allemagne), Schott (Allemagne), SG Sieger (Allemagne), Shandong Linuo Paradigma (Chine), Shandong Linuo New Material (Chine), Shandong Tiafe (Chine), Solar-International (Allemagne), Solar Tubes (Macédonie), Solarnow, SolarUK (Grande-Bretagne), Solvis (Allemagne), S-Power (Allemagne), Spring Solar (Hongrie), Sunda (Chine), Sunergy (Pologne), Sunex (Pologne), Tecnisun (France), Tsinghua (Chine), Vermos (République Tchèque), Viessmann (Allemagne), Watt (Pologne), Westech (Chine), Yasol (Chine), Zhejiang Meida (Chine), Zhejiang Shentai (Chine)

- Tubes sous vide à flux direct
Le fluide caloporteur passe directement par l'absorbeur dans les tubes sous vide. Ce transfer thermique direct assure un rendement élevé.

- Tubes sous vide à caloduc
Le tube de l'absorbeur contient une petite quantité d'eau. Ce liquide est vaporisé sous vide partiel. La vapeur s'élève dans le conduit de l'absorbeur, condense dans le condenseur et retourne sous forme liquide dans l'absorbeur. Ce principe exige une inclinaison minimale de 20 °. Si le condenseur a une température supérieure à la température d'évaporation du fluide dans l'absorbeur, il y a alors vaporisation complète.

- Tubes sous vide de type "Sydney"/CPC
Un tube "Sydney" est un tube de verre à double paroi pour éviter une éventuelle perte du vide par la jonction métal/verre. La surface des tubes est directement placée sur le tube de verre intérieur. Un réfleteur est nécessaire pour utiliser la totalité de la surface de l'absorbeur, à cause de l'arrondi du tube.

Solarbayer

Le raccordement des panneaux

Le raccordement des capteurs doit être fait de manière à faire circuler, dans chacun d’eux, la même quantité d’eau par unité de temps. Si cette condition n’est pas respectée, une partie du champ présentera un débit trop important pour augmenter significativement la température. Et l’autre partie aura un débit trop faible. Ce type de dysfonctionnement provoquera des surchauffes locales néfastes aux mélanges antigel.

 
a) Raccordement en série

Le raccordement en série présente deux inconvénients dès lors qu’il y a plus de deux panneaux : les pertes de charge sont importantes, et le dernier capteur en bout de ligne a un mauvais rendement car il chauffe de l’eau déjà réchauffée par les capteurs précédents.

b) Boucle de Tickelman

Dès que l’on dépasse deux capteurs, il est nécessaire de les placer en parallèle et, puisque l’eau emprunte toujours le plus court chemin, de faire en sorte que tous les chemins soient équivalents. C’est ce que l’on appelle le principe de Tickelman.

Dans les installations à grande échelle, il est courant de mélanger les techniques d’assemblage : les panneaux sont branchés en série par groupes de trois ou quatre, puis chacun de ces groupes est relié en boucle de Tickelman sur le système global.

3) Systèmes à air

Ce n'est pas un fluide caloporteur qui est rechauffé, mais l'air. On utilise ces systèmes pour le séchage ou l'aération dans le domaine agricole. Comme les installations d'aération sont alimentés par des températures relativement basses, un faible rayonnement solaire est suffisant pour ce type d'application.

Grammer

4) Capteurs de grande surface

AKS Doma

Soleg

5) Les premières générations de panneaux solaires

Capteurs auto-construits, capteur plan à caloduc, capteurs à tubes de verre non évacués, capteurs plans en toiture avec réflecteur plans et vitrages acryliques en forme de chapeau, capteurs à absorbeur à "lame d'eau"