Capteurs solaires à tube en U : une solution de chauffage solaire à haute efficacité et à faible température

Capteur solaire à tube en U : solution de chauffage solaire à haute efficacité et résistante aux basses températures

Parmi les technologies d'exploitation solaire thermique diversifiées, les capteurs solaires à tubes en U occupent une place importante grâce à leur conception structurelle unique, leur stabilité opérationnelle exceptionnelle et leur excellente résistance aux basses températures. Ils allient ingénieusement l'efficacité des plaques métalliques de collecte de chaleur à l'isolation des tubes sous vide, ce qui en fait un choix idéal pour les climats froids et la recherche de solutions performantes. Cet article approfondit le principe de fonctionnement des capteurs à tubes en U, explore en détail leurs nombreux scénarios d'application, analyse objectivement leur situation actuelle sur le marché et anticipe leur développement prometteur.

Spécifications et données

1) Circulation du fluide dans un tube en U fermé, absence d'eau dans les tubes sous vide. Absence de corrosion, de fuite, d'entartrage et de tube occasionnel.

2) Grâce à des ailettes en aluminium à transfert d'énergie thermique efficace, les capteurs à tube en U obtiennent une température plus élevée en peu de temps.

3) Le système peut fonctionner sous pression, canal en cuivre rouge entièrement fermé, résistance à la corrosion, aucune fuite, longue durée de vie 

4) Nouvelle technologie de détection de fuite à trois niveaux pour assurer un fonctionnement fiable du système 

5) Spécifications de taille flexibles, conception optimisée, peuvent répondre aux exigences de l'énergie solaire et de l'intégration des bâtiments

I. Principe de fonctionnement : L'ingénierie exquise de la capture et du transfert d'énergie

Le capteur solaire à tube en U est un nouveau type de produit économe en énergie de notre société. Ce tube en U est serti dans une ailette de transfert de chaleur en aluminium à l'intérieur du tube à vide qui transmet la chaleur du tube intérieur au tube en U. Le liquide (généralement un mélange antigel glycol-eau) dans le tube en U métallique est chauffé et conduit l'énergie thermique à l'eau à l'intérieur de l'échangeur à plaques du réservoir de stockage ou des serpentins en cuivre en spirale interne.

Le concept de base des capteurs solaires à tube en U est la « connexion sèche » et le « transfert de chaleur efficace », et ses performances exceptionnelles découlent du fonctionnement coordonné de plusieurs composants clés.

1. Tubes à vide et revêtements absorbants sélectifs :

Première ligne de défense et moteurs énergétiques. À l'instar des tubes à vide tout en verre, l'extérieur des capteurs à tube en U est également composé d'un ou plusieurs tubes à vide en verre à double couche. La paroi extérieure du tube intérieur est recouverte d'un revêtement d'absorption sélective avancé (généralement bleu ou noir). Ce revêtement, véritable moteur énergétique du système, absorbe le rayonnement solaire au maximum (taux d'absorption α ≥ 0,93) et le convertit en énergie thermique, tout en limitant fortement ses propres pertes par rayonnement thermique (émissivité ε ≤ 0,06). La couche intermédiaire sous vide externe (dont la pression est inférieure à 10⁻³Pa) constitue une excellente couche isolante. Grâce à l'isolation complète de la convection et de la conduction, elle empêche toute fuite de chaleur, permettant ainsi au capteur de maintenir un fonctionnement à haute température même dans des environnements froids.

2. Plaques métalliques absorbant la chaleur et tubes en cuivre en forme de U : Échangeur de chaleur à noyau

C'est la principale différence entre les capteurs à tube en U et les tubes à vide classiques tout en verre. À l'intérieur du tube à vide, au lieu de chauffer directement l'eau, une plaque métallique absorbant la chaleur (généralement en aluminium ou en cuivre) est intégrée. Cette plaque est étroitement liée à un tube en cuivre à haute conductivité, plié en U par soudage ou pressage de précision. Lorsque l'énergie solaire est absorbée par le revêtement et convertie en énergie thermique, la chaleur est rapidement conduite vers la plaque métallique absorbant la chaleur, puis vers le tube en cuivre en U qui lui est étroitement relié.

3. Circulation du fluide caloporteur : un transporteur d'énergie fermé

L'eau circulant dans le tube en cuivre en forme de U n'est pas directement de l'eau du robinet, mais un fluide caloporteur antigel spécial (généralement un mélange de propylène glycol et d'eau comme antigel). Ce système de circulation est fermé. Exposés au soleil, les tubes en cuivre absorbent la chaleur et le fluide caloporteur antigel qu'ils contiennent est chauffé. Entraîné par une pompe de circulation forcée (dans certains systèmes de circulation naturelle, l'effet thermosiphon est utilisé), le fluide caloporteur chauffé sort par l'extrémité supérieure du tube en U et pénètre dans l'échangeur de chaleur (généralement un serpentin ou une chemise) situé à l'intérieur du réservoir d'eau. Le fluide caloporteur transfère alors la chaleur qu'il transporte à l'eau du réservoir par échange thermique. Après refroidissement, il revient par l'extrémité inférieure du tube en U et est réchauffé, formant ainsi un cycle continu en boucle fermée.

Cette conception à double boucle (séparant le circuit de captage de chaleur du circuit d'eau) est à l'origine de la grande fiabilité et de l'excellente résistance au gel du capteur à tubes en U. Elle exploite non seulement la conservation optimale de la chaleur par les tubes sous vide, mais élimine également totalement le risque de gel et d'éclatement des canalisations en hiver grâce à un circuit fermé de fluide de travail antigel.

Ii. Scénarios d'application : Convient à une large gamme d'options de chauffage propre

Grâce à leurs caractéristiques de rendement élevé, de résistance aux basses températures, de fonctionnement sous pression et d'installation flexible, les capteurs à tubes en U ont trouvé leur application dans de nombreux domaines.

1. Eau chaude et chauffage dans les zones froides et de haute altitude :

Il s'agit du domaine d'application le plus concurrentiel pour les capteurs à tubes en U. Dans les régions aux hivers rigoureux comme le nord-est et le nord-ouest de la Chine, l'Europe du Nord et le Canada, leurs excellentes performances antigel en font l'une des solutions d'exploitation solaire thermique les plus fiables, capables de fournir de l'eau chaude sanitaire toute l'année et des sources de chaleur d'appoint pour le chauffage par le sol en hiver, pour les maisons individuelles, les maisons de ville et même les petites collectivités.

2. Système solaire intégré au bâtiment (BIPV/T)

Les capteurs à tubes en U, notamment ceux associés à des capteurs plans, s'intègrent facilement à la façade des bâtiments. Ils peuvent être utilisés comme garde-corps de balcon, panneau mural extérieur ou élément de toiture, alliant fonctionnalité et esthétique. Leur résistance à la pression assure une parfaite compatibilité avec le réseau d'eau urbain, offrant une expérience de douche à pression puissante comparable à celle des chauffe-eau classiques au gaz ou électriques.

3. Chauffage à grande échelle pour les installations commerciales et publiques :

Hôtels, écoles, hôpitaux et piscines : ces lieux ont une demande importante et stable en eau chaude. L'installation de dizaines, voire de centaines, de capteurs à tubes en U en réseaux modulaires permet de construire des systèmes de chauffage solaire centralisé à grande échelle, réduisant ainsi considérablement les coûts énergétiques des activités commerciales.

Dortoirs de salariés et maisons de retraite : Pour les lieux d'habitation collectifs ayant une demande d'eau chaude continue et stable, le système de canalisations en U offre une solution d'eau chaude sûre et automatisée.

4. Chaleur industrielle et agricole (chauffage industriel)

Dans les processus industriels tels que la transformation des aliments, le brassage et le textile qui nécessitent de l'eau chaude à basse température (40 °C - 80 °C), les systèmes solaires à tubes en U peuvent servir de dispositifs de préchauffage ou de chauffage direct efficaces, réduisant ainsi la consommation d'énergie fossile et diminuant les émissions de carbone.

Dans le domaine agricole, il peut être utilisé pour le chauffage d'appoint hivernal dans les serres afin de créer un environnement de température adapté à la plantation.

Iii. État de développement : Les technologies de pointe et les défis du marché coexistent

Les capteurs solaires à tube en U sont actuellement dans une phase de « reconnaissance technique élevée mais de concurrence féroce sur le marché ».

La maturité technologique et les avantages en termes de performances ont été largement reconnus : en tant que représentant de la technologie d'utilisation de l'énergie solaire thermique de deuxième génération, sa technologie est déjà très mature. Sa « connexion sèche » efficace, sa capacité antigel exceptionnelle et ses avantages de fonctionnement sous pression ont été largement reconnus dans les domaines professionnels et parmi les groupes d'utilisateurs haut de gamme.

Pression sur les coûts et concurrence sur le marché : Le principal défi réside dans le coût initial. Du fait de l'intégration de plaques métalliques absorbant la chaleur, de tubes en cuivre en U et de procédés de soudage, son coût unitaire est généralement supérieur à celui des tubes à vide tout verre classiques. Cela le rend moins compétitif sur les marchés sensibles aux prix. Parallèlement, il est confronté à la double concurrence des tubes à vide traditionnels et des capteurs plans à haut rendement.

Pression intersectorielle exercée par le photovoltaïque : À l'instar de l'ensemble du secteur solaire thermique, le système à tubes en U a été impacté par la baisse continue du coût de production d'électricité photovoltaïque. Dans certains cas où seule une eau chaude de faible qualité est nécessaire, le modèle « photovoltaïque + chaudière électrique » s'avère avantageux grâce à sa simplicité d'installation et à son investissement initial apparemment moindre.

Le positionnement sur le marché est clair, mais une sensibilisation et une vulgarisation sont nécessaires. Actuellement, les capteurs à tubes en U sont davantage présentés comme des solutions « haut de gamme » et « hautes performances », ciblant principalement les utilisateurs ayant des besoins spécifiques (tels que le chauffage en régions froides et l'intégration au bâtiment). Le marché a encore besoin d'une sensibilisation continue pour permettre à un plus grand nombre de consommateurs de comprendre les avantages liés à leur fiabilité à long terme en termes de coût sur l'ensemble du cycle de vie.

IV. Perspectives de développement : L'avenir de l'intégration axée sur l'innovation avec le système

Face aux défis, le développement futur des capteurs solaires à tubes en U se concentrera sur le dépassement des limites de performance, l'intelligence du système et l'élargissement des domaines d'application.

Innovation continue dans les matériaux et les procédés

Mise à niveau de la technologie de revêtement : développer des revêtements à absorption sélective avec des taux d'absorption plus élevés et une émissivité plus faible, et améliorer leur stabilité à haute température pour prolonger la durée de vie et améliorer l'efficacité.

Optimisation des plaques d'absorption thermique : explorez des conceptions de structure à ailettes plus efficaces pour les plaques d'absorption thermique (telles que le soudage ondulé et laser) afin de maximiser la zone de conduction thermique et l'efficacité. L’adoption de matériaux plus légers et dotés d’une meilleure conductivité thermique est également l’une des orientations.

Exploration des domaines d'application à moyenne température

Grâce à l'optimisation de la conception du système et de la formule du fluide de travail, le capteur à tube en U peut produire de manière stable une énergie thermique à moyenne température, comprise entre 120 °C et 150 °C. Cela lui ouvrira des perspectives d'applications industrielles plus vastes, telles que le séchage industriel et le prétraitement à la vapeur, avec un potentiel de marché considérable.

S'intégrer profondément dans le système énergétique intelligent

À l'avenir, le système à tubes en U ne sera plus un appareil de chauffage isolé. Grâce à l'intégration de capteurs IoT et d'algorithmes de contrôle intelligents, il s'intégrera au système de gestion énergétique des maisons et bâtiments intelligents. Le système ajustera intelligemment le démarrage, l'arrêt et la vitesse du circulateur en fonction des prévisions météorologiques, des habitudes d'utilisation et des tarifs du réseau électrique en heures pleines et creuses, optimisant ainsi l'utilisation de l'énergie et fonctionnant en coordination avec des sources d'énergie complémentaires telles que les pompes à chaleur et les chaudières à gaz.

Stocks potentiels de systèmes solaires hybrides (PV-T) :

La structure en U est particulièrement adaptée au développement de modules solaires photovoltaïques et thermiques (PV-T) intégrés. Les cellules photovoltaïques peuvent être directement laminées sur des plaques métalliques absorbant la chaleur. Les tubes en U évacuent efficacement la chaleur résiduelle générée par les cellules tout en produisant de l'électricité. Cela permet non seulement d'abaisser la température des modules photovoltaïques (améliorant ainsi le rendement énergétique), mais aussi de générer de l'énergie thermique gratuite, permettant ainsi une utilisation maximale de l'énergie solaire par unité de surface. C'est l'une des solutions idéales pour répondre aux contraintes d'espace sur les toits.

Axé sur les politiques et la normalisation

À mesure que l'objectif mondial de neutralité carbone progresse, les exigences en matière d'économie d'énergie dans les bâtiments et d'utilisation des énergies renouvelables deviendront de plus en plus strictes dans les différents pays. En tant que technologie mature et efficace de réduction des émissions, les capteurs à tubes en U devraient être recommandés dans davantage de normes de « construction verte » et de politiques d'installation obligatoire. Parallèlement, la modularisation et la standardisation des produits contribueront à réduire les coûts de production et d'installation et à renforcer la compétitivité du marché.

Conclusion

Les capteurs solaires à tubes en U, grâce à leur conception technique raffinée et à leurs performances incontestables, occupent une place de choix sur le marché de niche de l'énergie solaire thermique, offrant hautes performances et fiabilité. Ce sont non seulement des outils performants pour affronter les grands froids, mais aussi un support élégant alliant esthétique architecturale et énergie propre. Malgré les défis liés aux coûts et au marché, ils ont démontré une forte résilience technologique et de vastes perspectives de développement grâce à une évolution continue vers des domaines de pointe tels que les applications industrielles à moyenne température, la gestion intelligente de l'énergie et la production combinée d'énergie photovoltaïque. Dans le contexte de la transition énergétique mondiale, les capteurs solaires à tubes en U continueront d'apporter une contribution essentielle à la construction d'une société durable et à faibles émissions de carbone grâce à leurs performances stables et performantes.