Maximiser l'efficacité des capteurs solaires : le rôle crucial de l'absorbeur solaire

Maximiser l'efficacité des capteurs solaires : le rôle clé des absorbeurs solaires

Dans le domaine de l'exploitation du solaire thermique, l'efficacité est le critère ultime pour mesurer la valeur d'une technologie. Dans cette quête d'efficacité optimale, les absorbeurs solaires jouent sans aucun doute un rôle crucial. Ils constituent le cœur du système de captage solaire thermique et le point central où l'énergie lumineuse est convertie en énergie thermique. Comprendre, optimiser et innover dans la technologie des absorbeurs solaires est essentiel pour exploiter pleinement le potentiel du système et maximiser la production d'énergie. Cet article explore le principe de fonctionnement des absorbeurs solaires, examine en détail leurs nombreux scénarios d'application, analyse objectivement l'état actuel de leur développement et anticipe leurs perspectives d'avenir innovantes et prometteuses.

I. Principe de fonctionnement : La conversion exquise des photons en énergie thermique

Un absorbeur solaire est une interface précise de conversion d'énergie, dont les performances dépendent de la façon dont il traite le rayonnement solaire incident. Ce processus n'est pas un simple « objet noir absorbant la chaleur », mais plutôt une collaboration efficace entre la science des matériaux, la thermodynamique et l'optique.

1. Capture d'énergie : absorption sélective spectrale

La lumière solaire est une onde électromagnétique à large spectre, dont l'énergie est principalement concentrée dans la gamme de longueurs d'onde de 0,3 à 2,5 micromètres. Une surface noire ordinaire absorbe la majeure partie de la lumière solaire, mais restitue également une grande quantité de chaleur sous forme de rayonnement infrarouge à ondes longues. La fonction principale d'un absorbeur solaire est de rompre cet équilibre et d'obtenir une « absorption spectrale sélective ».

Cela repose sur un revêtement spécial à la surface de l'absorbeur, généralement d'une épaisseur de quelques micromètres seulement : le revêtement d'absorption sélective. Ce revêtement est conçu comme suit :

La « dévoration gourmande » du rayonnement à ondes courtes : il présente un taux d'absorption extrêmement élevé (α ≥ 0,94) pour le spectre solaire (0,3-2,5 µm), convertissant la grande majorité de l'énergie des photons en vibrations du réseau, c'est-à-dire en énergie thermique.

Le « gardien avare » du rayonnement à ondes longues : il a une émissivité extrêmement faible (ε ≤ 0,06) pour le rayonnement infrarouge (>2,5 µm) généré par sa propre chaleur et s'efforce de supprimer la perte de chaleur sous forme de rayonnement.

Cette caractéristique d'absorption élevée et de faible émission est essentielle pour que l'absorbeur atteigne et maintienne des températures élevées. La performance du revêtement est mesurée par la sélectivité (rapport α/ε), et plus ce rapport est élevé, plus les performances du revêtement sont exceptionnelles.

2. Transfert d'énergie : Conduction thermique efficace et perte de chaleur minimale

Capter l'énergie n'est qu'une première étape. La transférer efficacement et réduire les pertes est tout aussi crucial.

Conduction thermique : les absorbeurs sont généralement constitués de matériaux à haute conductivité thermique, tels que le cuivre et l'aluminium, pour former des plaques ou des tubes absorbant la chaleur. La chaleur générée est rapidement conduite du revêtement vers l'ensemble du substrat métallique, évitant ainsi une surchauffe locale.

Échange thermique : Dans un système de circulation de liquide, les canaux d'écoulement métalliques (tels que des tubes ou des plaques) sont étroitement liés aux plaques d'absorption thermique, et la chaleur est transférée au fluide caloporteur (eau ou antigel) à l'intérieur des canaux par convection. L'optimisation de la conception structurelle, notamment la disposition des canaux d'écoulement et les techniques de soudage, influence directement l'efficacité de l'échange thermique.

Suppression des pertes thermiques : Outre la suppression des pertes par rayonnement grâce à des revêtements à faible émissivité, le système réduit également les pertes thermiques par d’autres moyens. Dans les capteurs plans, des capots en verre et des couches d’isolation latérales sont utilisés pour réduire les pertes par convection et conduction. Dans les capteurs à tubes sous vide, l’absorbeur est entièrement placé dans une couche intermédiaire sous vide, éliminant ainsi presque totalement les pertes thermiques par convection et conduction.

II.Absorbeurs solaires BTE

Absorbeurs en cuivre ou en aluminium haute performance soudés au laser

Nous fabriquons des absorbeurs préfinis pleine surface en cycles d'une minute à partir de tubes en cuivre et de tôles d'aluminium, aux formes en harpe et sinueuses. Sur demande, nous traitons également des tubes en aluminium et des tôles de cuivre. Tous les revêtements métalliques standards peuvent être traités.

Notre procédé de fabrication développé en interne garantit une zone d'absorption intacte, car la connexion entre le métal et le tube s'effectue uniquement par l'arrière de l'absorbeur. Grâce à cette connexion entièrement métallique, le transfert de chaleur est optimal et, par conséquent, le rendement est excellent. Notre procédé permet une connexion parfaite en un temps record.

La conception de l'absorbeur par CAO, l'usinage des tubes à commande numérique et l'installation de soudage laser entièrement automatisée permettent des séquences de production extrêmement précises et économiques. La technologie de soudage laser éprouvée de KBB, destinée à la production industrielle de grandes quantités, assure une liaison optimale des tubes au métal absorbant, avec une qualité de production constante.

Les absorbeurs pleine surface, fabriqués chez KBB avec un revêtement hautement sélectif, offrent les performances les plus élevées. A la demande du client, ils sont fabriqués jusqu'à une taille de 3,00 m². Chaque absorbeur est testé pour sa résistance à la pression et son étanchéité à la pression.

Nous accordons une attention particulière à l'emballage sécurisé de nos absorbeurs. Nous tenons à ce que ces absorbeurs de haute qualité vous parviennent en parfait état.

IIje. Scénarios d'application : de l'eau chaude sanitaire au moteur principal de l'énergie industrielle

Grâce à leur capacité de conversion d'énergie hautement efficace, les absorbeurs solaires sont devenus le cœur universel de nombreux systèmes d'utilisation solaire thermique et leur champ d'application est extrêmement large.

1. Chauffage des bâtiments civils et commerciaux

Alimentation en eau chaude sanitaire : des chauffe-eau à tubes sous vide sur les toits de chaque foyer aux systèmes split sur les balcons des résidences de grande hauteur, les absorbeurs sont la pierre angulaire pour fournir de l'eau chaude sanitaire à faible coût.

Chauffage des locaux : Associés à des systèmes de chauffage par le sol ou de ventilo-convecteurs, les absorbeurs solaires fournissent un chauffage d'appoint confortable pour les bâtiments résidentiels, les immeubles de bureaux, les écoles et autres structures en hiver, réduisant ainsi considérablement la consommation d'énergie fossile.

Système Solaire Intégré au Bâtiment (BIST) : Les absorbeurs sont directement conçus comme partie intégrante des murs extérieurs, des toits ou des garde-corps de balcon du bâtiment, remplissant leurs fonctions tout en répondant aux exigences esthétiques, devenant ainsi la « peau active » du bâtiment.

2. Chauffage des procédés industriels

Il s'agit d'un marché « océan bleu » offrant un potentiel considérable pour l'utilisation de l'énergie solaire thermique. Des secteurs tels que l'agroalimentaire, l'impression et la teinture textiles, le génie chimique, la plasturgie et la brasserie nécessitent une grande quantité d'énergie thermique à moyenne et basse température, comprise entre 80 °C et 250 °C. Les champs solaires thermiques à grande échelle, basés sur des absorbeurs haute performance, peuvent fournir directement des sources de chaleur propres pour ces procédés industriels, produisant ainsi de la « vapeur solaire » et remplaçant efficacement les chaudières à gaz ou à charbon.

3. Agriculture et applications spéciales

Chauffage de serre : Pour fournir un chauffage d'appoint aux serres agricoles en hiver et prolonger la saison de plantation.

Dessalement de l’eau de mer : l’utilisation de l’énergie thermique collectée par les absorbeurs pour évaporer l’eau de mer est l’une des technologies durables pour remédier à la pénurie d’eau douce.

Chauffage de piscine : Même dans un système simple non couvert, les absorbeurs résistants aux intempéries peuvent augmenter efficacement la température de l'eau de la piscine.

4. Production d'énergie solaire concentrée

Dans les centrales solaires à auges, à tour et autres centrales solaires à concentration, l'absorbeur joue le rôle de « récepteur ». Il est chauffé à plusieurs centaines de degrés par la forte concentration du rayonnement solaire, puis la chaleur est transférée à des fluides thermoconducteurs tels que des sels fondus, avant d'être utilisée pour entraîner des turbines à vapeur destinées à la production d'électricité. Les absorbeurs doivent alors rester stables et efficaces malgré des températures extrêmement élevées et une forte densité de flux thermique.

Iv.État de développement : technologie mature et défis du marché coexistent

Après des décennies de développement, la technologie des absorbeurs solaires a atteint un niveau de maturité élevé, mais elle est également confrontée à une concurrence féroce sur le marché et à une pression de transformation.

Diversification et maturité des filières techniques : Les technologies les plus répandues comprennent les absorbeurs à tubes à vide (absorbeurs thermiques tout verre et tubes métalliques en U) et les absorbeurs plans. Le dépôt PVD par pulvérisation cathodique magnétron est devenu le procédé standard pour les absorbeurs haute performance, avec une durée de vie de plus de 20 ans. Cette technologie est très mature et fiable.

L'amélioration des performances atteint un palier : pour les applications conventionnelles à moyenne et basse température, le taux d'absorption et l'émissivité du revêtement absorbant ont atteint leurs limites physiques. Toute amélioration marginale supplémentaire nécessite d'importants investissements en R&D, et la rentabilité diminue progressivement.

Pression sur les coûts et concurrence sur le marché : Le coût de production des absorbeurs haute performance, notamment celui des procédés PVD, reste relativement élevé. Il est donc confronté à la concurrence des revêtements classiques et électrochimiques sur des marchés sensibles aux prix.

L'impact intersectoriel du photovoltaïque : La forte baisse continue du prix des modules photovoltaïques représente le défi le plus sérieux pour le marché de l'utilisation de l'énergie solaire thermique à moyenne et basse température. Dans de nombreux scénarios, la solution « photovoltaïque + pompe à chaleur électrique/chauffage par résistance » concurrence directement les systèmes solaires thermiques traditionnels grâce à sa flexibilité d'installation et à ses avantages en termes de coût initial.

V. Perspectives de développement : l'avenir de l'innovation et de l'intégration des systèmes

Malgré les défis, l’avenir des absorbeurs solaires ne stagne pas mais évolue vers des performances plus élevées, une plus grande intelligence et une intégration plus profonde.

1. Des avancées révolutionnaires dans les matériaux et les revêtements

Revêtements moyennes et hautes températures : La recherche et le développement se concentrent désormais sur des revêtements capables de rester stables longtemps à des températures supérieures à 250 °C dans l'air. Les revêtements sélectifs à base de nouveaux matériaux tels que le nitrure d'aluminium-chrome et le carbone amorphe favoriseront fortement l'application industrielle de l'énergie solaire à moyenne température et le développement de systèmes CSP performants.

Matériaux intelligents et revêtements adaptatifs : Explorez les matériaux dotés de propriétés thermochromiques qui peuvent ajuster automatiquement leur émissivité à différentes températures, maintenir une faible émissivité pendant la collecte de chaleur et augmenter l'émissivité en cas de surchauffe pour l'autoprotection, améliorant ainsi la sécurité et l'adaptabilité du système.

2. Optimisation de la conception structurelle et du processus de fabrication

Microcanaux et transfert thermique amélioré : La conception de microcanaux d'écoulement à l'intérieur de l'absorbeur permet d'augmenter considérablement la surface d'échange thermique, de réduire la résistance thermique et d'améliorer l'efficacité du transfert thermique. Ce système est particulièrement adapté aux applications compactes et à forte densité de puissance.

Fabrication additive (impression 3D) : En utilisant la technologie d'impression 3D métallique, des structures absorbant la chaleur complexes et intégrées qui ne peuvent pas être obtenues par des procédés traditionnels peuvent être fabriquées, obtenant la combinaison topologique optimale de canaux d'écoulement et de corps absorbant la chaleur et maximisant les performances thermiques.

3. Positionnement central dans les systèmes photovoltaïques et solaires thermiques

Les systèmes solaires photovoltaïques et thermiques représentent une orientation importante pour l'avenir. Dans ce système, l'absorbeur sert directement de dissipateur thermique pour la face arrière photovoltaïque, collectant efficacement la chaleur résiduelle générée par les cellules solaires. Cela permet non seulement de réduire considérablement la température des modules photovoltaïques (améliorant ainsi leur rendement énergétique et leur durée de vie), mais aussi de récupérer simultanément une précieuse énergie thermique, permettant ainsi une amélioration considérable du rendement global d'utilisation de l'énergie solaire par unité de surface.

4. Intégration de la numérisation et de l'intelligence

Les absorbeurs du futur ne seront plus des composants « inutiles ». Grâce à l'intégration de microcapteurs de température et de débit et à la connexion à la plateforme IoT, leur état de fonctionnement pourra être surveillé en temps réel, la dégradation des performances évaluée, les besoins de maintenance anticipés et une coordination intelligente avec d'autres systèmes énergétiques (tels que les pompes à chaleur et les ballons de stockage) permettra d'optimiser l'efficacité énergétique du système.

Conclusion

L'absorbeur solaire, ce composant apparemment simple, est en réalité le joyau de la technologie d'exploitation du solaire thermique. Ses performances déterminent directement la production d'énergie et la rentabilité de l'ensemble du système. Dans le cadre des grands objectifs de transition énergétique mondiale et de neutralité carbone, la quête d'une efficacité accrue est sans fin. Grâce à l'innovation continue en science des matériaux, au perfectionnement de la conception structurelle et à une intégration poussée aux technologies numériques et intelligentes, les absorbeurs solaires continueront de repousser leurs limites et de consolider leur position irremplaçable en tant que capteurs solaires performants. Ils constituent non seulement la clé pour optimiser l'efficacité des capteurs solaires, mais aussi un puissant moteur pour propulser la société entière vers un avenir énergétique propre et sobre en carbone.