Revêtements absorbants solaires : la clé d'une captation solaire thermique à haut rendement

Revêtements absorbant le soleil : la clé d'une récupération efficace de la lumière et de la chaleur

Dans le contexte mondial de recherche d'énergie durable, la technologie d'utilisation du solaire thermique, avec sa conversion d'énergie directe et efficace, a toujours occupé une place essentielle. Au cœur de cette technologie se trouve un élément clé qui détermine la performance de l'ensemble du système : le revêtement d'absorption solaire. Bien que dissimulé à l'intérieur du capteur, il est au cœur du processus de conversion d'énergie. Chaque petite amélioration de ses performances se traduit par une amélioration considérable de l'efficacité de l'utilisation du solaire thermique. Cet article approfondit le principe de fonctionnement des revêtements d'absorption solaire, explore en détail leurs nombreux scénarios d'application, analyse objectivement leur état de développement actuel et anticipe leurs perspectives prometteuses.

Spécifications et données

1) La ligne de soudage laser a développé un petit bain de fusion, ce qui signifie une meilleure résistance de la connexion entre l'absorbeur et les tuyaux montants, le résultat est une promesse de durée de vie plus longue de l'absorbeur solaire ; 

2) L’apparence du capteur solaire sans ligne de soudure est plus belle et s’intègre bien au toit du bâtiment ; 

3) Il n'y a aucune destruction de la surface du film de revêtement bleu, dans le capteur solaire à plaque plate ; 

4) La distance entre deux points de soudure est de 3 mm, plus les points de soudure sont nombreux, plus la transmission au système est élevée.

1. Absorption sélective spectrale : « Tamis de lumière » intelligent

L'absorbeur solaire est un composant essentiel qui transforme l'énergie du rayonnement solaire en énergie thermique et la transfère à l'eau. Le choix du matériau, de la structure et du revêtement de surface du noyau d'absorption thermique influence considérablement les performances du chauffe-eau. La plaque d'absorption thermique doit présenter une certaine résistance à la pression, une bonne compatibilité avec l'eau et des performances thermiques élevées.

Le rayonnement solaire est une source d'énergie à large spectre, principalement concentrée dans la gamme de longueurs d'onde de 0,3 à 2,5 micromètres (incluant les rayons ultraviolets, la lumière visible et le proche infrarouge). Tout objet dont la température est supérieure au zéro absolu perd également de l'énergie par rayonnement thermique, dont la longueur d'onde est généralement supérieure à 2,5 micromètres (rayons infrarouges moyens et lointains).

1. Principe de fonctionnement : la magie de la lumière et de la chaleur dans le micromonde

La mission des revêtements d'absorption solaire paraît simple : capter au maximum le rayonnement solaire et le convertir en énergie thermique, tout en minimisant au maximum les pertes de chaleur. Cependant, atteindre cet objectif nécessite une conception physico-chimique ingénieuse, dont le cœur réside dans la « sélectivité spectrale ».

La peinture noire ordinaire absorbe la lumière de toutes les longueurs d'onde de manière égale, mais lorsqu'elle est chauffée, elle rayonne également la chaleur vers l'extérieur avec la même efficacité. Le revêtement d'absorption sélective spectrale, quant à lui, est un « gardien » intelligent, doté de deux faces totalement différentes :

Taux d'absorption élevé (α ≥ 0,94) : Il montre une capacité de « dévoration » extrêmement forte pour la bande d'ondes courtes du rayonnement solaire (0,3-2,5 µm), réfléchissant le moins de lumière solaire possible.

Faible émissivité (ε ≤ 0,05) : Il présente une capacité de « suppression » extrêmement élevée pour la bande des ondes longues (> 2,5 µm) de son propre rayonnement thermique, empêchant la précieuse chaleur d'être rayonnée sous forme de rayons infrarouges.

Cette caractéristique de « forte absorption et faible émission » permet au revêtement de chauffer rapidement et de « serrer » fermement la chaleur. Sa performance est généralement mesurée par le rapport « efficacité de conversion photothermique » (α/ε), et plus ce rapport est élevé, plus le revêtement est performant.

2. Parvenir à des approches techniques sélectives

Cette propriété magique n’est pas accidentelle mais est obtenue grâce à plusieurs micro-mécanismes principaux suivants :

Absorption intrinsèque : Les propriétés intrinsèques du matériau de revêtement font qu'il n'absorbe fortement l'énergie que dans des bandes spécifiques. En sélectionnant soigneusement des matériaux composites tels que les oxydes métalliques, les nitrures ou les carbures, il est possible de faire coïncider leurs bandes d'absorption avec les principales régions énergétiques du spectre solaire.

Effet d'interférence : le revêtement est conçu comme une structure de film multicouche (telle qu'un film composite métal-diélectrique), chaque couche ayant une épaisseur de seulement l'ordre du nanomètre. Lorsque la lumière du soleil est réfléchie sur différentes interfaces, des interférences constructives et des interférences destructives se produisent, améliorant ainsi l'absorption des ondes courtes et la réflexion des ondes longues.

Texture de surface et diffusion : En fabriquant la surface du revêtement en une structure rugueuse microscopique ou en nanoparticules, la lumière incidente subit de multiples réflexions et se diffuse à l'intérieur, étant ainsi entièrement absorbée, comme si elle était piégée dans un « piège à lumière ».

3. Processus de préparation avancé

Pour obtenir ces microstructures, les techniques de préparation avancées suivantes sont principalement adoptées :

Dépôt physique en phase vapeur (PVD)/pulvérisation magnétron : Ce procédé consiste à bombarder une cible métallique sous vide au moyen d'un plasma, provoquant le dépôt de ses atomes sur le substrat pour former un film dense et uniforme. Il s'agit de la technologie la plus avancée pour la fabrication de revêtements commerciaux hautes performances et durables, caractérisés par une grande pureté et une forte adhérence.

Méthodes électrochimiques (telles que l'anodisation et la galvanoplastie) : un film de conversion, ou couche de dépôt, est formé à la surface d'un substrat métallique (comme l'aluminium ou le cuivre) par réactions chimiques dans l'électrolyte. Le coût est relativement faible, mais les performances sont généralement inférieures à celles des revêtements PVD.

Méthode sol-gel : Procédé chimique par voie humide qui forme un film mince par réactions chimiques en solution. Ce procédé offre un potentiel pour la préparation de revêtements aux composants et structures spécifiques, mais sa stabilité et sa durabilité pour les applications à grande échelle font l'objet d'une optimisation continue.

Ii. Scénarios d'application : un vaste monde au-delà des chauffe-eau

L’application de revêtements d’absorption d’énergie solaire a depuis longtemps transcendé les chauffe-eau domestiques traditionnels et s’est répandue dans divers domaines allant de l’utilisation civile, commerciale et industrielle.

1. Applications basse température (<100°C) : eau chaude sanitaire et chauffage des bâtiments

Chauffe-eau solaires domestiques : Qu'ils soient à tubes sous vide ou à plaques planes, leur cœur est constitué d'un corps absorbant la chaleur recouvert d'un revêtement à absorption sélective. Ils fournissent de l'eau chaude sanitaire à moindre coût à des millions de familles dans le monde.

Système solaire intégré au bâtiment (BIST) : les revêtements sont intégrés dans les façades des bâtiments, les balustrades des balcons ou les toits, collectant l'énergie thermique tout en servant également de composants de construction pour fournir de l'énergie pour le chauffage des locaux et l'eau chaude.

Chauffage de piscine : Même les simples capteurs non couverts utilisent des revêtements absorbants résistants aux intempéries pour augmenter la température de l'eau de la piscine.

2. Applications moyenne température (100°C - 400°C) : Énergie thermique industrielle et entraînement

Chauffage des procédés industriels : Il s'agit d'un marché potentiel majeur. Des secteurs comme l'agroalimentaire, l'impression et la teinture textiles, le génie chimique et la galvanoplastie nécessitent de grandes quantités de vapeur ou d'eau chaude à moyenne et basse température. Les champs solaires thermiques basés sur des revêtements haute performance peuvent remplacer les combustibles fossiles et alimenter directement ces procédés en énergie, favorisant ainsi les économies d'énergie et la réduction des émissions de carbone.

Refroidissement solaire : En utilisant la chaleur générée par la collecte de chaleur solaire pour alimenter les réfrigérateurs à absorption ou à adsorption, on obtient l'effet de refroidissement écologique selon lequel « plus le soleil est fort, plus le climatiseur est froid ».

Dessalement de l'eau de mer : La technologie de dessalement solaire thermique de l'eau de mer s'appuie sur l'énergie thermique collectée par le revêtement pour évaporer l'eau de mer et obtenir de l'eau douce.

3. Applications à haute température (> 400 °C) : Production d'énergie solaire concentrée et énergie avancée

Énergie solaire concentrée (ESC) : Dans les centrales solaires concentrées (ESC), telles que celles à miroirs cylindro-paraboliques et à tour, des revêtements absorbants sont appliqués sur les tubes collecteurs ou récepteurs de chaleur. Dans des conditions de forte concentration lumineuse, ces tubes doivent résister à des températures de plusieurs centaines, voire milliers de degrés Celsius et transférer efficacement la chaleur au fluide caloporteur (tel que le sel fondu) pour entraîner la turbine à vapeur et produire de l'électricité. Ce revêtement est essentiel pour que la centrale atteigne un rendement de conversion photoélectrique élevé.

III. État actuel du développement : Les technologies matures coexistent avec une concurrence féroce

Après des décennies de développement, l’industrie des revêtements d’absorption d’énergie solaire a formé un modèle avec une hiérarchie technologique claire et une concurrence féroce sur le marché.

Maturité technologique et stratification du marché : Les revêtements tels que le film bleu et le chrome noir, produits par pulvérisation cathodique magnétron, sont devenus la norme pour les capteurs plans et à tubes à vide de milieu et haut de gamme. Cette technologie est très mature et sa durée de vie peut atteindre 15 à 20 ans. Le marché propose simultanément des revêtements électrochimiques et des revêtements PVD économiques, visant des performances optimales.

Percées continues dans les goulots d'étranglement en matière de performances : la recherche et le développement ont toujours été axés sur l'amélioration du rapport α/ε et sur l'amélioration de la stabilité thermique (ne se dégradant pas à haute température) et de la résistance aux intempéries (la capacité à résister à l'érosion environnementale telle que l'humidité et le brouillard salin) du revêtement.

Forte concurrence du photovoltaïque : La chute vertigineuse du prix des modules photovoltaïques a fortement comprimé le marché de l'énergie solaire thermique à moyenne et basse température. Dans les scénarios où seule une eau chaude de faible qualité est nécessaire, le modèle « photovoltaïque + chauffage électrique » représente un sérieux défi pour le marché traditionnel du solaire thermique en raison de sa simplicité d'installation et de ses avantages en termes d'investissement initial.

La persistance de la pression sur les coûts : l’investissement dans les lignes de production de revêtements PVD hautes performances est énorme, ce qui entraîne des coûts élevés et entrave leur promotion sur les marchés sensibles aux prix.

Iv.Perspectives de développement : l'avenir de l'intégration transfrontalière et axée sur l'innovation

Face aux défis, l’avenir des revêtements d’absorption solaire n’est pas sombre mais regorge plutôt d’opportunités pour ouvrir de nouveaux horizons grâce à une technologie de matériaux de pointe et à l’innovation des systèmes.

1. À la recherche de performances ultimes : nouveaux matériaux et structures de revêtement

Systèmes de films à gradient multicouche et métamatériaux : grâce à la conception assistée par ordinateur, des systèmes de films multicouches plus complexes sont construits pour obtenir une « personnalisation précise » de l'absorption spectrale. En tirant parti de concepts émergents tels que les cristaux photoniques et les métamatériaux plasmoniques, il est prévu de fabriquer des revêtements « idéaux » dotés d'un spectre d'absorption extrêmement large et d'une émissivité extrêmement faible.

Avancée majeure en matière de stabilité à haute température : De nouveaux matériaux de revêtement à base de nitrures et de carbures de métaux de transition, entre autres, ont été développés, leur permettant de rester stables longtemps à des températures supérieures à 400 °C et dans l'air. Cela réduira considérablement les coûts d'exploitation et de maintenance des centrales CSP et améliorera leur rendement.

2. Revêtements intelligents et adaptatifs

Revêtement adaptatif spectral : Il s'agit d'une technologie de pointe. La recherche porte sur des revêtements « intelligents » capables d'ajuster automatiquement leur émissivité en fonction de la température ambiante. Maintenir une faible émissivité pendant la récupération de chaleur ; lorsque la température est trop élevée et risque d'endommager le système, celui-ci peut passer à un état d'émissivité élevée pour améliorer la dissipation thermique et assurer son autoprotection.

3. Rôle central dans les systèmes photovoltaïques et solaires thermiques (PV-T)

Le système PV-T, capable de produire simultanément de l'électricité et de la chaleur, représente l'avenir de l'énergie décentralisée. Le revêtement absorbant haute performance joue ici un rôle crucial : en tant que dissipateur thermique pour la face arrière des cellules photovoltaïques, il récupère efficacement la chaleur résiduelle générée par celles-ci. Cela permet non seulement de refroidir les modules photovoltaïques (améliorant ainsi leur rendement énergétique et leur durée de vie), mais aussi de capter de l'énergie thermique gratuite, optimisant ainsi l'efficacité globale d'utilisation de l'énergie solaire par unité de surface.

4. Fabrication intelligente et optimisation des coûts

En améliorant le taux d'utilisation des cibles de pulvérisation, en développant la technologie de revêtement continu Roll-to-Roll et en améliorant le niveau d'automatisation des lignes de production, le coût de production des revêtements haute performance peut être continuellement réduit, les rendant compétitifs sur un marché plus large.

Conclusion

Le revêtement absorbant le rayonnement solaire, cette fine couche d'une épaisseur de quelques micromètres, illustre parfaitement l'intégration de la science des matériaux, de l'optique et de la thermodynamique. Bien que dissimulé à l'intérieur du capteur, il est le moteur principal du développement de toute l'industrie de l'utilisation du solaire thermique. Dans le contexte de la transformation du système énergétique mondial vers la neutralité carbone, les revêtements absorbant le rayonnement solaire jouent un rôle irremplaçable, qu'il s'agisse de chauffer les ménages, d'injecter de l'électricité dans les industries ou, à terme, d'éclairer les villes grâce à la production d'électricité concentrée. Son évolution continue dépend non seulement de la compétitivité de la technologie solaire thermique elle-même, mais aussi de notre capacité à capter et à utiliser l'énergie colossale de cette étoile de manière plus efficace et économique. À l'avenir, avec l'émergence constante de nouveaux matériaux et de nouvelles structures, cette « clé » qui ouvre la voie à une énergie solaire thermique performante nous ouvrira assurément la voie vers un monde énergétique plus propre et plus durable.