Livre blanc sur les plaques absorbantes solaires : Le cœur des capteurs solaires plans – Efficacité et durée de vie

Livre blanc sur les plaques d'absorption solaire : Le cœur de l'efficacité et de la durée de vie des capteurs à plaques plates

Dans un système de capteur solaire plan, un composant essentiel, bien qu'apparemment insignifiant, est la plaque absorbante. Celle-ci convertit le rayonnement solaire en énergie thermique et la transmet au fluide caloporteur. Ses performances déterminent directement le rendement instantané du capteur, la production de chaleur annuelle et même la durée de vie de l'ensemble du système. Pourtant, aux yeux des utilisateurs finaux et même de certains ingénieurs, la plaque absorbante est souvent éclipsée par l'enveloppe du capteur ou la vitre de protection. Cet article analysera en détail les aspects techniques et les critères de sélection de ce composant clé qu'est la plaque absorbante d'un capteur solaire plan, selon quatre axes : la science des matériaux, le procédé de revêtement, les performances thermiques et la qualité de la chaîne d'approvisionnement.

I. Qu'est-ce qu'une plaque absorbante solaire : fonction et structure

La plaque absorbante solaire est l'élément d'échange thermique principal d'un capteur solaire plan. Une plaque absorbante solaire typique se compose de trois parties : un substrat métallique à haute conductivité thermique (généralement en cuivre ou en aluminium), un revêtement absorbant sélectif en surface et un réseau de tubes (tubes en cuivre ou tubes serpentins) soudé au substrat ou intégré à celui-ci. Lorsque la lumière du soleil traverse la vitre et frappe la plaque absorbante, le revêtement convertit l'énergie rayonnante à ondes courtes en énergie thermique. Le substrat conduit ensuite rapidement la chaleur au fluide (eau ou antigel) contenu dans le réseau de tubes, achevant ainsi le transfert d'énergie « lumière → chaleur → fluide ».

Selon sa structure, la plaque absorbante solaire se divise principalement en :

1. Type à plaques tubulaires : Les tubes en cuivre sont assemblés aux plaques d’aluminium ou de cuivre par soudage ultrasonique, soudage laser ou laminage-compression.

2. Type de plaque intégrale : deux plaques métalliques sont roulées pour former les canaux d'écoulement moyen (similaires aux échangeurs de chaleur à plaques) ; 

3. Type à ailettes : Le profilé en aluminium est formé par un processus d'extrusion unique, intégrant le canal d'écoulement et les ailettes d'absorption de chaleur.

Parmi eux, le panneau solaire à absorption de chaleur de type plaque tubulaire composite cuivre-aluminium, grâce à son excellent rapport coût-efficacité, occupe environ 70 % du marché mondial des capteurs plans.

II. Indicateurs de performance principaux : taux d’absorption, taux d’émission et conductivité thermique

Pour évaluer la qualité d'une plaque absorbante solaire, les trois indicateurs techniques les plus importants sont :

1. Coefficient d'absorption solaire (α)

Cela fait référence à la capacité d'absorption du panneau solaire pour l'ensemble du spectre du rayonnement solaire (300 - 2500 nm). Le revêtement à absorption sélective des panneaux solaires de haute qualité doit avoir une valeur α ≥ 0,94 (valeur mesurée). Actuellement, les revêtements les plus courants comprennent le chrome noir, le titane bleu (TiNOX), l'aluminium-azote/aluminium (revêtement triple cible) et le revêtement composite de graphène.

2. Rapport d'émission thermique (ε, à température ambiante)

Fait référence à la capacité du panneau absorbant la chaleur à rayonner de l'énergie thermique infrarouge vers l'extérieur à sa température de fonctionnement (généralement entre 40 °C et 100 °C). Plus la valeur de ε est faible, plus la perte de chaleur est faible. Pour les capteurs solaires plats de haute qualité, le noyau du panneau absorbant la chaleur nécessite ε ≤ 0,10 (à température ambiante). Par exemple, la valeur typique du revêtement de titane bleu est α = 0,95, ε = 0,05, avec un rapport de sélectivité α/ε aussi élevé que 19, ce qui est au plus haut niveau de l'industrie. 

3. Conductivité thermique (λ)

Le taux de transfert de chaleur de la surface du revêtement au fluide à l'intérieur du tube. Les substrats des plaques absorbantes solaires utilisent généralement du cuivre (401 W/(m·K)) ou de l'aluminium (237 W/(m·K)) à haute conductivité thermique. Le procédé de soudage est également crucial : le soudage par ultrasons garantit l'absence d'espace de résistance thermique entre le tube en cuivre et la plaque en aluminium, tandis que le soudage par points ordinaire ou le collage adhésif peuvent entraîner une résistance thermique de contact importante, réduisant considérablement l'efficacité réelle de la captation de chaleur.

III. Évolution de la technologie de revêtement : du non sélectif à l’ultra-sélectif

Les premiers panneaux solaires thermiques utilisaient une peinture noire non sélective (α ≈ 0,90, ε ≈ 0,90), produisant le même effet qu'une tôle de fer noir chauffée par le soleil. Après les années 1980, le revêtement en chrome noir électrolytique s'est imposé, avec un taux d'absorption de 0,92 à 0,94 et une émissivité de 0,12 à 0,15. Cependant, le processus de production du chrome noir génère des eaux usées contenant du chrome hexavalent, engendrant une forte pression environnementale.

Au début du XXIe siècle, la technologie de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétronique (PVD) a permis la production, entièrement à sec, de revêtements en titane bleu (TiNOX). Ce revêtement pour plaques absorbantes solaires présente une couleur bleu profond, une sélectivité extrêmement élevée et son procédé de fabrication ne génère ni eaux usées ni gaz d'échappement. Actuellement, les principaux fabricants de capteurs thermiques en Europe et en Chine utilisent exclusivement le titane bleu ou des revêtements PVD similaires.

La dernière génération de panneaux solaires thermosensibles commence à adopter des revêtements céramiques nanocomposites et des revêtements modifiés au graphène. Les données de laboratoire montrent que le coefficient α du panneau thermosensible amélioré au graphène peut atteindre 0,96, et le coefficient ε est aussi faible que 0,04. Parallèlement, la résistance au vieillissement est améliorée de plus de 30 %. Cependant, cette technologie est encore au stade de la production pilote, avec un coût 2 à 3 fois supérieur à celui de Lantai. Elle n'a pas encore fait l'objet d'une commercialisation à grande échelle.

IV. Points faibles de l’industrie : le chaos des plaques d’absorption solaire contrefaites et de qualité inférieure

Sur le marché des utilisateurs finaux, la qualité des plaques absorbantes solaires varie considérablement. Certains produits bon marché et de faible qualité utilisent :

1. Mauvaise liaison : Des tubes de cuivre ont été collés à des plaques d’aluminium à l’aide d’une colle ordinaire. Après six mois de fonctionnement, la couche de colle a vieilli et a provoqué la séparation du tube et de la plaque, entraînant une forte baisse de l’efficacité de la collecte de chaleur.

2. Revêtement inférieur : Il imite la couleur du titane bleu mais ne constitue pas une finition revêtue sous vide. Après avoir été pulvérisée avec de la peinture noire ordinaire, la valeur α n'est que de 0,85 et elle commence à s'estomper et à s'écailler au bout de trois mois. 

3. Tube à paroi mince : L’épaisseur de la paroi du tuyau a été réduite de 0,6 mm à 0,3 mm. Lors de la circulation du liquide antigel, celui-ci s’est rapidement corrodé et perforé, provoquant une fuite de l’ensemble du collecteur et sa mise au rebut.

L'organisme de test sectoriel a souligné que, pour un absorbeur de capteur solaire plan conforme, le revêtement ne doit ni se décoller ni former de cloques après avoir subi un test au brouillard salin neutre de 1 000 heures et 200 cycles de tests de choc thermique ; de plus, l'atténuation de l'absorptivité (α) ne doit pas excéder 0,02. Lors de l'achat, les utilisateurs doivent exiger du fournisseur la présentation d'un rapport d'essai de type émis par un organisme tiers.

V. Tendances du marché : Plaques d’absorption de chaleur intégrées de type extrusion et production à grande échelle

Les plaques absorbantes solaires tubulaires traditionnelles nécessitent des tubes en cuivre et des plaques en aluminium, ce qui engendre des risques de corrosion électrochimique et implique de multiples opérations de soudage. Ces dernières années, les plaques absorbantes de chaleur extrudées, entièrement en aluminium, ont gagné en popularité. Cette technologie permet de créer une plaque absorbante solaire dotée de multiples microcanaux parallèles grâce à un procédé d'extrusion unique à l'aide d'une machine d'extrusion de profilés en aluminium. Elle élimine la résistance thermique de contact entre la plaque tubulaire et l'interface de corrosion, sans nécessiter de soudage des tubes. Les capteurs plans de BTESolar intègrent pleinement cette conception et atteignent un rendement supérieur à 82 %.

Pendant ce temps, avec l'augmentation des projets de capteurs de chauffage solaire à grande échelle (capteur de chauffage solaire à grande échelle), la largeur requise pour les plaques absorbant la chaleur solaire est passée des standards de 1 mètre et 2 mètres à plus de 3 mètres. De larges plaques double face absorbant la chaleur (avec des revêtements au dos pour utiliser la lumière réfléchie) ainsi que des structures de forme irrégulière telles que des triangles et des plaques ondulées ont également commencé à être appliquées dans les champs de capteurs à grande échelle. 

VI. Comment choisir et acheter des plaques absorbantes solaires

Pour les fabricants de capteurs solaires, les ingénieurs ou les acheteurs de projets à grande échelle, le processus recommandé pour la sélection des plaques absorbantes solaires est le suivant :

1. Confirmer les scénarios d'application : Usage domestique standard (composite cuivre-aluminium, revêtement en titane bleu) ; Environnement industriel à forte corrosion (unité intégrée tout aluminium, anodisé + revêtement sélectif) ; Régions extrêmement froides (des panneaux absorbants à émissivité plus élevée sont nécessaires pour réduire les pertes de chaleur par rayonnement nocturne).

2. Demande de rapport d'essai : se concentrer sur le taux d'absorption (α), le taux d'émission (ε), la durée de l'essai au brouillard salin neutre et le nombre de cycles de choc thermique.

3. Vérifier la qualité de la soudure : La plaque d’absorption de chaleur de type tubulaire doit réussir le test de résistance au pelage (la force de pelage au point de soudure doit être ≥ 100 N/25 mm).

4. Marque et garantie : Un fournisseur légitime doit offrir une garantie de performance du revêtement d’au moins 10 ans (α de dégradation ≤ 0,03).

VII. Conclusion

Bien que la plaque absorbante solaire soit petite, elle détermine le succès ou l'échec du système.

La plaque absorbante est le composant le plus coûteux (environ 15 à 25 %) d'un capteur solaire plan, et c'est elle qui influe le plus sur les performances du système. Une plaque absorbante de haute qualité permet au capteur de fonctionner de manière stable et à haut rendement pendant plus de 20 ans ; à l'inverse, une plaque de mauvaise qualité peut réduire à néant l'ensemble du projet de chauffage solaire. Face aux exigences croissantes en matière de qualité de l'énergie solaire thermique dans le cadre des efforts mondiaux de réduction des émissions de carbone, la normalisation et la traçabilité des plaques absorbantes des capteurs solaires plans deviendront incontournables.