La technologie solaire à tubes sous vide entièrement vitrés est en tête : énergie solaire thermique pour l'eau, le chauffage et l'industrie

La technologie des capteurs solaires à tubes sous vide entièrement vitrés continue de montrer la voie.

Dans le contexte de la transition énergétique mondiale et de la décarbonation industrielle, la technologie de l'énergie solaire thermique connaît une nouvelle phase de croissance. Parmi les solutions adoptées, les capteurs solaires thermiques à tubes sous vide (capteurs solaires à tubes sous vide entièrement vitrés) sont devenus la technologie dominante pour la production d'eau chaude sanitaire, le chauffage régional et le préchauffage industriel à l'échelle mondiale, grâce à leur rendement exceptionnel en captation de chaleur, leurs excellentes performances de démarrage à basse température et leur rentabilité élevée. Cet article analyse en détail le processus d'industrialisation et les perspectives de marché des capteurs solaires à tubes sous vide selon quatre axes : principe technique, principaux avantages, applications typiques et tendances futures.

I. Qu'est-ce qu'un capteur solaire thermique à tubes sous vide : une brève analyse de ses principes structurels

Le système de captage solaire thermique à tubes sous vide est composé de plusieurs tubes sous vide indépendants en verre massif. Chaque tube est constitué d'une couche interne et d'une couche externe en verre borosilicaté de haute qualité, un vide poussé (pression inférieure à 10⁻² Pa) étant maintenu entre les deux. La paroi externe du tube interne est revêtue d'un revêtement absorbant sélectif (par exemple, aluminium-azote/aluminium) présentant un taux d'absorption élevé pour le rayonnement solaire à ondes courtes (≥ 92 %) et une faible émissivité pour le rayonnement thermique à ondes longues. Après avoir traversé la couche de verre externe, le rayonnement solaire est absorbé par le revêtement du tube interne et converti en énergie thermique, qui chauffe l'eau ou le fluide caloporteur à l'intérieur du tube. Grâce à la réduction significative des pertes de chaleur par convection et conduction assurée par la couche de vide, même dans les régions extrêmement froides où les températures descendent en dessous de -30 °C, le capteur solaire à tubes sous vide en verre massif fonctionne efficacement et produit de la chaleur utilisable.

Comparé aux capteurs plans traditionnels, le capteur solaire thermique à tubes sous vide présente une adaptabilité remarquable à toutes les conditions météorologiques : par temps nuageux, brumeux et froid, son rendement de captation de chaleur est bien supérieur à celui des capteurs plans. De plus, la structure tubulaire circulaire du tube sous vide lui permet de maintenir une surface de captation de la lumière efficace optimale, quelles que soient les variations d'angle d'élévation du soleil, tout au long de la journée.

II. Principaux avantages : Pourquoi les collecteurs à tubes électroniques restent-ils dominants sur le marché ?

1. Collecte de chaleur à haut rendement et démarrage à basse température

La couche d'isolation sous vide du capteur à tubes sous vide permet d'obtenir un coefficient de perte de chaleur extrêmement faible (la valeur U peut atteindre 0,6 à 0,8 W/(m²·K)). Cela signifie que par temps froid en hiver ou lors d'un faible ensoleillement tôt le matin, le capteur peut rapidement se réchauffer et amorcer le processus de circulation, produisant ainsi de l'eau chaude au plus tôt. Ceci est particulièrement important pour les systèmes de chauffage solaire.

2. Résistance au gel et adaptabilité climatique

Grâce au faible diamètre intérieur des tubes sous vide en verre (généralement 47 mm ou 58 mm) et à la couche de vide isolant les tubes des basses températures extérieures, même si la température ambiante descend à -30 °C, l'eau à l'intérieur des tubes ne gèlera pas facilement et ne les fera pas éclater. Associé à un liquide antigel ou à un système de retour par drainage, le capteur solaire à tubes sous vide entièrement en verre peut fonctionner en toute sécurité dans les régions de haute latitude, de haute altitude et de froid extrême.

3. Installation modulaire et rentabilité élevée

Le capteur à tubes sous vide adopte une conception modulaire standard. Un module unique peut comporter de 10 à 50 tubes sous vide et s'installe facilement sur site. Qu'il s'agisse d'un petit système domestique (1 à 3 mètres carrés) ou d'un projet de centrale solaire thermique à grande échelle (plusieurs milliers de mètres carrés), la combinaison de modules permet d'obtenir le résultat souhaité. Par ailleurs, la technologie des tubes sous vide, bien que mature, est beaucoup moins coûteuse que celle des tubes sous vide scellés métal-verre importés ou des capteurs plans performants, ce qui rend le système solaire thermique à tubes sous vide très compétitif pour les projets à faible investissement initial.

4. Maintenance facile et remplacement d'un seul tube

Si un tube à vide est endommagé par une force extérieure, il suffit de le remplacer individuellement sans avoir à vider l'ensemble du système. Cette caractéristique réduit les coûts d'exploitation et de maintenance à long terme.

III. Scénarios d'application typiques : de la production d'eau chaude sanitaire à l'industrie du chauffage

1. Systèmes solaires de production d'eau chaude sanitaire résidentiels et commerciaux

Le capteur solaire à tubes sous vide entièrement vitrés est la solution de production d'eau chaude solaire la plus répandue dans les zones rurales, les villes, les hôtels, les écoles, les hôpitaux et autres bâtiments publics du monde entier. Un chauffe-eau à tubes sous vide de 2 mètres carrés peut répondre aux besoins quotidiens en eau chaude sanitaire de 4 à 6 personnes. Les grands hôtels utilisent des dizaines de réseaux de capteurs à tubes sous vide, fournissant des dizaines de tonnes d'eau chaude par jour, pour des coûts d'exploitation quasi nuls.

2. Chauffage urbain à énergie solaire et stockage thermique saisonnier

Dans des villes pilotes de chauffage propre en Europe du Nord et en Chine du Nord, des systèmes solaires thermiques à tubes sous vide sont associés à de grands réservoirs de stockage d'eau ou à des installations de stockage thermique souterraines pour former des réseaux de chauffage urbain à énergie solaire. Dans plusieurs projets au Danemark et en Allemagne, des dizaines de milliers de tubes sous vide ont été utilisés pour constituer un champ de captage de chaleur. La chaleur excédentaire est stockée en été et restituée en hiver, ce qui peut couvrir de 10 % à 30 % des besoins en chauffage des zones urbaines.

3. Préchauffage des procédés industriels

Les industries textile, agroalimentaire et chimique nécessitent d'importantes quantités d'eau chaude à 60-90 °C ou de vapeur à basse pression. Les capteurs solaires à tubes sous vide entièrement en verre peuvent servir de « pré-chauffage économe en énergie » pour l'eau d'alimentation des chaudières, en élevant la température de l'eau à l'entrée de sa température ambiante à 40-60 °C, réduisant ainsi la consommation de combustibles fossiles. Une entreprise de teinture du Shandong, en Chine, a installé 5 000 capteurs à tubes sous vide, économisant environ 150 000 mètres cubes de gaz naturel par an.

4. Séchage et dessalement agricoles

Le système solaire thermique à air combiné à des capteurs à tubes sous vide peut fournir une source de chaleur pour le séchage ; dans les zones côtières ou insulaires dépourvues d’électricité, le dispositif de dessalement d’eau de mer par distillation à effets multiples, alimenté par des capteurs à tubes sous vide, a également été mis en œuvre et appliqué.

IV. Itération technologique et perspectives de marché

Ces dernières années, les innovations technologiques dans le domaine des capteurs solaires thermiques à tubes sous vide se sont concentrées sur les aspects suivants : l’efficacité de conversion de la lumière en chaleur du revêtement d’absorption sélective sur le tube intérieur a été améliorée à plus de 96 % ; des tubes sous vide en forme de U et des caloducs ont été introduits, adaptés aux systèmes sous pression ; un système multi-énergies complémentaire a été mis en place avec des pompes à chaleur, des systèmes photovoltaïques et des chaudières à gaz.

Selon le projet de l'Agence internationale de l'énergie sur le chauffage et le refroidissement solaires (IEA SHC), la surface totale de capteurs solaires en service dans le monde devrait dépasser 750 millions de mètres carrés d'ici 2025. Parmi eux, les capteurs à tubes sous vide représentent plus de 65 %, et même plus de 85 % sur le marché chinois. Avec la mise en œuvre du « 14e plan quinquennal » pour le chauffage aux énergies renouvelables et la progression du plan européen « REPowerEU », le taux de pénétration des capteurs solaires à tubes sous vide entièrement vitrés dans la rénovation des systèmes de chauffage des bâtiments existants et le remplacement du chauffage industriel écologique continuera d'augmenter.

V. Suggestions d'achat

Pour les entreprises d'ingénierie ou les utilisateurs finaux qui envisagent d'acheter des systèmes solaires thermiques à tubes sous vide, il est recommandé de prêter attention aux indicateurs suivants : spécifications des tubes sous vide (58/1800 mm est actuellement la norme), taux d'absorption et émissivité du revêtement, durée de vie du vide (les produits de haute qualité peuvent durer plus de 15 ans), matériau du cadre du module (alliage d'aluminium ou acier inoxydable) et s'ils ont obtenu des certifications internationales telles que Solar Keymark et CE.