Capteurs solaires plans BTE : composants, technologie et applications pour des systèmes solaires thermiques basse température efficaces

Composants de base pour l'utilisation de l'énergie solaire thermique à basse température

Les capteurs solaires plans sont des composants essentiels pour l'exploitation du solaire thermique à basse température. Ce sont des composants non concentriques des systèmes solaires thermiques qui captent le rayonnement solaire et transfèrent la chaleur à un fluide caloporteur. Les capteurs solaires plans se composent principalement d'un absorbeur de chaleur, d'un couvercle transparent, d'une couche isolante et d'une enveloppe extérieure. L'absorbeur de chaleur est essentiellement une plaque plane. Lorsqu'un capteur solaire plan fonctionne, le rayonnement solaire traverse le couvercle transparent et est projeté sur l'absorbeur de chaleur, où il est absorbé et converti en énergie thermique. Cette chaleur est ensuite transférée au fluide caloporteur à l'intérieur de l'absorbeur, augmentant sa température et fournissant une énergie utile au capteur.

Composants et fonctionnalités

Les capteurs solaires plans sont des composants essentiels pour l'utilisation du solaire thermique basse température et constituent depuis longtemps un produit phare sur le marché mondial de l'énergie solaire. Ils sont largement utilisés dans de nombreuses applications, notamment le chauffage de l'eau domestique, le chauffage des piscines, le chauffage de l'eau industrielle, le chauffage des bâtiments et la climatisation. Ils se composent principalement d'un absorbeur de chaleur, d'un couvercle transparent, d'une couche isolante et d'une enveloppe extérieure. Un chauffe-eau solaire plan est un chauffe-eau utilisant un capteur solaire plan, tandis qu'un système de chauffe-eau solaire plan est un système de production d'eau chaude utilisant un capteur solaire plan.

Ils se caractérisent par une construction simple, une grande surface d'absorption de chaleur, une résistance élevée à la pression, une longue durée de vie, une résistance aux dommages et une facilité d'intégration architecturale.

Plaque absorbant la chaleur

Il s'agit du composant d'un capteur solaire plan qui absorbe le rayonnement solaire et transfère la chaleur au fluide caloporteur. Il s'agit essentiellement d'une plaque plane. 

Structure

Une plaque d'absorption thermique plane est généralement composée de tubes et de collecteurs. Les tubes sont disposés longitudinalement sur la plaque d'absorption thermique et forment le circuit d'écoulement du fluide ; les collecteurs sont les composants reliant plusieurs tubes transversalement aux extrémités supérieure et inférieure de la plaque d'absorption thermique, formant ainsi le circuit d'écoulement du fluide. Les plaques d'absorption thermique peuvent être fabriquées à partir de divers matériaux, notamment le cuivre, les alliages d'aluminium, les composites cuivre-aluminium, l'acier inoxydable, l'acier galvanisé, le plastique et le caoutchouc. Les types de structures comprennent :

1. Type de plaque tubulaire : les tubes et la plaque plate sont assemblés de manière spécifique pour former une bande absorbante thermique, qui est ensuite soudée aux collecteurs supérieur et inférieur pour former la plaque absorbante thermique. C'est le type le plus couramment utilisé, tant au niveau national qu'international.

2. Type à ailettes : Une bande d'absorption thermique munie d'ailettes fixées de chaque côté d'un tube métallique est formée par extrusion et étirage. Cette bande est ensuite soudée aux collecteurs supérieur et inférieur pour former la plaque d'absorption thermique.

3. Type de boîte plate : La plaque d'absorption thermique est formée de deux plaques métalliques séparées par emboutissage, puis soudées ensemble. Type serpent : Le tube métallique est plié en forme de serpent, puis soudé à une plaque plate pour former une plaque d'absorption thermique. Ce type de structure est largement utilisé à l'étranger.

Revêtements absorbants solaires

Pour maximiser l’absorption du rayonnement solaire et le convertir en chaleur, l’absorbeur doit être recouvert d’un revêtement sombre, appelé revêtement absorbant solaire.

Les revêtements absorbants solaires peuvent être divisés en deux catégories : non sélectifs et sélectifs. Les revêtements non sélectifs sont ceux dont les propriétés optiques sont indépendantes de la longueur d'onde du rayonnement ; les revêtements sélectifs sont ceux dont les propriétés optiques varient significativement avec la longueur d'onde du rayonnement.

Les revêtements absorbants sélectifs peuvent être préparés par diverses méthodes, notamment la pulvérisation, la chimie, l'électrochimie, l'évaporation sous vide et la pulvérisation cathodique magnétron. La plupart des revêtements absorbants sélectifs préparés selon ces méthodes permettent d'atteindre un rapport d'absorption solaire (DAS) supérieur à 0,90, mais leurs plages d'émissivité atteignables varient considérablement. Du point de vue des performances d'émissivité, l'ordre de priorité entre ces méthodes est le suivant : pulvérisation cathodique magnétron, évaporation sous vide, électrochimie, chimie et pulvérisation. Bien entendu, chaque méthode possède une plage d'émissivité spécifique, et l'émissivité réelle d'un revêtement dépend du degré d'optimisation du procédé de préparation du revêtement.

Matériels

Le cuivre TP2 est utilisé pour les collecteurs et les tuyaux de dérivation. Le cuivre désoxydé cuivre-phosphore TP2 est une matière première de haute pureté produite par fusion. L'oxygène généré dans le cuivre fondu est désoxydé avec du phosphore (P) ayant une affinité pour l'oxygène, réduisant ainsi sa teneur en oxygène à moins de 100 ppm. Cela améliore sa ductilité, sa résistance à la corrosion, sa conductivité thermique, sa soudabilité et sa maniabilité, tout en résistant à la fragilisation par l'hydrogène à haute température. Caractéristiques et applications : Il présente une teneur en oxygène extrêmement faible, une pureté élevée, une excellente conductivité électrique et thermique, une excellente ductilité, une faible perméabilité à l'air et une fragilisation par l'hydrogène minime ou nulle. Il offre également une excellente maniabilité, soudabilité, résistance à la corrosion et résistance au froid.

Plaque de couverture transparente

La plaque de recouvrement transparente est un composant transparent (ou translucide) en forme de plaque qui recouvre la plaque absorbante dans un collecteur plan. Il a trois fonctions principales : premièrement, il transmet le rayonnement solaire et le dirige sur la plaque absorbant la chaleur ; deuxièmement, il protège la plaque absorbant la chaleur de la poussière, de la pluie et de la neige ; et troisièmement, cela crée un effet de serre, empêchant la plaque absorbant la chaleur de dissiper la chaleur vers l'environnement par convection et rayonnement lorsque la température augmente. 

Matériel

Il existe deux principaux types de verre : le verre plat et la fibre de verre. Le verre plat est actuellement le plus largement utilisé, tant au niveau national qu'international.

Le verre plat présente une faible transmittance infrarouge, une faible conductivité thermique et une excellente résistance aux intempéries. Cependant, la transmittance solaire et la résistance aux chocs sont deux facteurs clés pour ce type de verre. Actuellement, le matériau de revêtement transparent le plus couramment utilisé est le verre plat de 3 à 5 mm d'épaisseur, le verre trempé ultra-clair à faible teneur en fer ou le verre trempé texturé ultra-clair à faible teneur en fer. Ces verres présentent une transmittance élevée, résistent à la grêle et aux chocs, et sont sûrs et fiables. Les épaisseurs de verre courantes sont de 3,2 mm et 4,0 mm. Le verre ultra-clair est un type de verre ultra-transparent à faible teneur en fer, également appelé verre à faible teneur en fer ou verre à haute transparence. Les plaques de PRFV (plastique renforcé de fibres de verre) présentent une transmittance solaire élevée, une faible conductivité thermique et une résistance aux chocs élevée ; cependant, pour les plaques de PRFV, la transmittance infrarouge et la résistance aux intempéries sont deux points à prendre en compte. La courbe de transmission monochromatique en fonction de la longueur d'onde des plaques de PRF montre que la transmission monochromatique est non seulement élevée à 14 h, mais également élevée au-delà de 14 h 30. Par conséquent, la transmission solaire des plaques de PRF est généralement supérieure à 0,88, mais sa transmission infrarouge est également bien supérieure à celle du verre plat. Les plaques de PRF peuvent réduire les dommages causés par les rayons ultraviolets grâce à l'utilisation de résines à haute adhérence et de gel coats. Cependant, leur durée de vie est incomparable à celle du verre plat, matériau inorganique. Les plaques de PRF sont rarement utilisées comme plaques de recouvrement pour les capteurs et ne sont actuellement utilisées que dans certains produits d'entrée de gamme.

Couche d'isolation

La couche isolante est un composant du capteur qui empêche la chaleur de l'absorbeur de se dissiper dans l'environnement par conduction. Les matériaux utilisés pour cette couche isolante comprennent la laine de roche, la laine de verre, le polyuréthane et le polystyrène. La laine de verre est actuellement la plus couramment utilisée.

Matériaux d'isolation à haute efficacité

La mousse phénolique (PF) est un nouveau type de matériau isolant permettant d'améliorer l'efficacité des capteurs solaires plans. Elle est progressivement adoptée par les fabricants. Il s'agit d'une mousse plastique rigide à cellules fermées obtenue par moussage et durcissement de résine phénolique avec diverses substances, notamment des émulsifiants, des agents moussants, des agents de durcissement et d'autres additifs, selon une formule scientifique.

Les caractéristiques de la mousse phénolique sont résumées comme suit :

1. Excellentes performances d'isolation thermique, avec une conductivité thermique de < 0,03 W/m·K.

2. Température de fonctionnement élevée. La mousse phénolique peut fonctionner pendant de longues périodes à des températures comprises entre -200 °C et 160 °C (avec des températures transitoires de 250 °C autorisées) sans rétrécissement.

3. Excellente résistance aux intempéries. Même exposé à des températures élevées pendant une longue période, il conserve d'excellentes propriétés d'isolation thermique et ne libère aucune substance volatile susceptible de bloquer le rayonnement solaire.

4. Ininflammabilité. La mousse phénolique (100 mm d'épaisseur) résiste aux flammes pendant plus d'une heure sans être pénétrée et ne dégage ni fumée ni gaz nocifs. Exposée aux flammes nues, la mousse phénolique forme une couche de carbone structural à sa surface, empêchant l'égouttement, le gondolement ou la fusion. Après combustion, une couche de graphite de carbone structural se forme à la surface, protégeant efficacement la structure interne de la mousse.

5. Respectueux de l'environnement. Grâce à une technologie de moussage sans fluor et sans fibres, il répond aux normes environnementales nationales et internationales.

Épaisseur

L'épaisseur de la couche isolante doit être déterminée en fonction de facteurs tels que le matériau utilisé, la température de fonctionnement du capteur et les conditions climatiques de la zone d'utilisation. En règle générale, plus la conductivité thermique du matériau est élevée, plus la température de fonctionnement du capteur est élevée et plus la température de la zone d'utilisation est basse, plus la couche isolante doit être épaisse. En général, la couche isolante inférieure a une épaisseur de 30 à 50 mm, les couches isolantes latérales ayant à peu près la même épaisseur.

Logement

Le boîtier protège et sécurise l'absorbeur, le couvercle transparent et la couche isolante du capteur. Selon sa fonction, le boîtier doit présenter un certain niveau de résistance et de rigidité, une bonne étanchéité et une bonne résistance à la corrosion, ainsi qu'une esthétique soignée. 

Les matériaux utilisés pour le boîtier comprennent l'alliage d'aluminium, l'acier inoxydable, l'acier au carbone, le plastique et la fibre de verre. Pour améliorer l'étanchéité du boîtier, certains produits utilisent un procédé de moulage par compression en une seule étape utilisant de l'acier au carbone. Actuellement, les matériaux les plus couramment utilisés pour le boîtier (cadre) d'un capteur plan sont l'alliage d'aluminium et l'acier au carbone, obtenus par moulage par compression en une seule étape. 

Alliage d'aluminium : les profilés en alliage d'aluminium 6063T5 sont couramment utilisés. Les alliages d'aluminium de la série 6063 sont largement utilisés dans les cadres de portes, fenêtres et murs-rideaux en aluminium dans les bâtiments. Pour garantir une résistance élevée au vent, des performances d'assemblage, une résistance à la corrosion et des propriétés décoratives, les exigences de performance globales pour les profilés en alliage d'aluminium dépassent de loin celles des profilés industriels.