Capteurs solaires plans BTE pour systèmes solaires thermiques efficaces

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

Les capteurs solaires plans sont des composants essentiels pour l'utilisation thermique solaire à basse température. Ce sont des composants non concentrants dans les systèmes solaires thermiques qui reçoivent le rayonnement solaire et transfèrent la chaleur à un fluide caloporteur. Les capteurs solaires plans se composent principalement d'un absorbeur de chaleur, d'une couverture transparente, d'une couche isolante et d'une enveloppe extérieure. L'absorbeur de chaleur est essentiellement une plaque plane. Lorsqu'un capteur solaire plan est en fonctionnement, le rayonnement solaire traverse la couverture transparente 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 sortie d'énergie utile du capteur.

Composants et caractéristiques

Les capteurs solaires plans sont des composants essentiels pour l'exploitation thermique solaire à basse température et sont depuis longtemps un produit leader sur le marché mondial de l'énergie solaire. Ils sont largement utilisés dans diverses 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. Les capteurs solaires plans se composent principalement d'un absorbeur thermique, d'une couverture transparente, d'une couche isolante et d'une enveloppe extérieure. Un chauffe-eau solaire plan est un chauffe-eau utilisant un capteur solaire plan, et un système de chauffage solaire de l'eau à capteur plan est un système d'eau chaude utilisant un capteur solaire plan.

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

Plaque d'absorption

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 absorbante de chaleur plane est généralement disposée avec des tubes et des collecteurs. Les tubes sont disposés longitudinalement sur la plaque absorbante et constituent le chemin d'écoulement du fluide ; les collecteurs sont les composants reliant plusieurs tubes transversalement aux extrémités supérieure et inférieure de la plaque absorbante, formant le chemin d'écoulement du fluide. Les plaques absorbantes peuvent être fabriquées à partir de divers matériaux, notamment le cuivre, l'alliage d'aluminium, le composite cuivre-aluminium, l'acier inoxydable, l'acier galvanisé, le plastique et le caoutchouc. Les types structurels comprennent :

1. Type plaque-tube : Les tubes et la plaque plane sont connectés d'une manière spécifique pour former une bande absorbante, qui est ensuite soudée aux collecteurs supérieur et inférieur pour former la plaque absorbante. C'est le type le plus couramment utilisé tant au niveau national qu'international.

2. Type à ailettes : une bande absorbant la chaleur avec des ailettes fixées de chaque côté d'un tube métallique est formée par un processus d'extrusion et d'étirage. Cette bande est ensuite soudée aux collecteurs supérieur et inférieur pour former la plaque absorbant la chaleur.

3. Type à boîtier plat : la plaque absorbant la chaleur est formée à partir de deux plaques métalliques distinctes par emboutissage, puis soudées ensemble. Type serpentin : le tube métallique est plié en forme de serpentin, puis soudé à une plaque plate pour former une plaque absorbant la chaleur. 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 considérablement avec la longueur d'onde du rayonnement.

Des revêtements absorbants sélectifs peuvent être préparés à l'aide de diverses méthodes, notamment la pulvérisation, les procédés chimiques, électrochimiques, l'évaporation sous vide et la pulvérisation magnétron. La plupart des revêtements absorbants sélectifs préparés par ces méthodes peuvent atteindre un rapport d'absorption solaire (RAS) supérieur à 0,90, mais leurs plages d'émissivité réalisables varient considérablement. Du point de vue des performances d'émissivité, l'ordre de mérite parmi ces méthodes devrait être : la pulvérisation magnétron, l'évaporation sous vide, les procédés électrochimiques, chimiques et la pulvérisation. Bien entendu, chaque méthode présente une plage spécifique de valeurs d'émissivité, et l'émissivité réelle d'un revêtement dépend du degré d'optimisation du processus de préparation du revêtement.

Matériaux

Le cuivre TP2 est utilisé pour les collecteurs et les tuyaux de dérivation. Le cuivre désoxydé au phosphore TP2 est une matière première de haute pureté produite par fusion. L'oxygène généré dans le cuivre en fusion est désoxydé à l'aide de 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 son usinabilité, tout en résistant à la fragilisation par l'hydrogène à haute température. Caractéristiques et applications : Il présente une teneur en oxygène extrêmement faible, une haute pureté, une excellente conductivité électrique et thermique, une excellente ductilité, une faible perméabilité à l'air et une fragilisation par l'hydrogène minimale ou nulle. Il offre également une excellente usinabilité, soudabilité, résistance à la corrosion et résistance au froid.

Plaque de couverture transparente

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

Matériau

Il existe deux types principaux : le verre plat et la fibre de verre. Le verre plat est actuellement le plus 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 considérations clés pour le verre plat. Actuellement, le matériau de couverture transparent le plus couramment utilisé est le verre plat d'une épaisseur de 3 à 5 mm, le verre trempé extra-clair à faible teneur en fer ou le verre trempé texturé extra-clair à faible teneur en fer. Ces verres ont 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 extra-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 panneaux en PRF (c'est-à-dire les panneaux en plastique renforcé de fibres de verre) ont une transmittance solaire élevée, une faible conductivité thermique et une résistance aux chocs élevée ; cependant, pour les panneaux en PRF, la transmittance infrarouge et la résistance aux intempéries sont deux problèmes nécessitant une attention particulière. La courbe de transmittance monochromatique en fonction de la longueur d'onde des panneaux en PRF montre que la transmittance monochromatique a non seulement une valeur élevée en dessous de 2 pm, mais aussi une valeur élevée au-dessus de 2,5 pm. Par conséquent, la transmittance solaire des panneaux en PRF est généralement supérieure à 0,88, mais leur transmittance infrarouge est également beaucoup plus élevée que celle du verre plat. Les panneaux en PRF peuvent réduire le degré de dommage causé par les rayons ultraviolets en utilisant des résines à haute énergie de liaison et des gel-coats. Cependant, la durée de vie des panneaux en PRF ne peut en aucun cas être comparée à celle du verre plat, qui est un matériau inorganique. Les panneaux en PRF sont rarement utilisés comme plaques de couverture pour les capteurs et ne sont actuellement utilisés que dans certains produits de bas de gamme.

Couche d'isolation

La couche d'isolation est un composant du capteur qui empêche la chaleur de l'absorbeur d'être perdue vers l'environnement environnant par conduction. Les matériaux utilisés pour la couche d'isolation 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 d'isolation qui peut améliorer l'efficacité des capteurs solaires plans. Elle est progressivement adoptée par les fabricants. La mousse phénolique est une mousse plastique rigide à cellules fermées fabriquée en faisant mousser et durcir la résine phénolique avec une variété de 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. Excellente performance d'isolation thermique, avec une conductivité thermique inférieure à 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 en cas d'exposition prolongée à des températures élevées, elle 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 n'émet ni fumée ni gaz nocifs. Lorsqu'elle est exposée à des flammes nues, la mousse phénolique forme une couche de carbone structurel à sa surface, empêchant le goutte-à-goutte, le gondolage ou la fusion. Après combustion, une couche de graphite de carbone structurel se forme à la surface, protégeant efficacement la structure interne de la mousse.

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

Épaisseur

L'épaisseur de la couche d'isolation 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 dans la zone d'utilisation est basse, plus la couche d'isolation doit être épaisse. Généralement, la couche d'isolation inférieure a une épaisseur de 30 à 50 mm, les couches d'isolation latérales ayant approximativement la même épaisseur.

Boîtier

Le boîtier protège et fixe l'absorbeur, la couverture transparente et la couche d'isolation à l'intérieur du capteur. Selon sa fonction, le boîtier nécessite un certain niveau de résistance et de rigidité, une bonne étanchéité et une bonne résistance à la corrosion, ainsi qu'un aspect esthétique agréable. 

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 avec de l'acier au carbone. Actuellement, le matériau le plus couramment utilisé pour le boîtier (cadre) d'un capteur plan est l'alliage d'aluminium et l'acier au carbone, formés par un procédé de 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 haute résistance 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 largement celles des profilés industriels.