Capteur solaire à caloduc : une nouvelle solution énergétique thermique efficace et fiable

Dans le contexte de la transition énergétique mondiale et des objectifs de « double carbone », la technologie d'exploitation du solaire thermique joue un rôle de plus en plus important. Parmi les nombreuses technologies de captage du solaire thermique, le capteur solaire à caloducs se distingue par son principe de fonctionnement unique et ses performances exceptionnelles, devenant la solution privilégiée pour les applications à moyenne et haute température et les environnements difficiles. Il représente non seulement le haut niveau de la technologie d'exploitation du solaire thermique, mais fournit également une énergie thermique propre et stable aux utilisateurs industriels, commerciaux et domestiques grâce à son rendement élevé, sa fiabilité et sa longue durée de vie.

I. Qu’est-ce qu’un capteur solaire à caloduc ?

Un capteur solaire à caloducs est un dispositif de captage de chaleur solaire utilisant des caloducs, un élément conducteur de chaleur hautement efficace, comme composant principal de transfert de chaleur. Pour comprendre sa supériorité, il est d'abord nécessaire de comprendre son cœur : le caloduc.

1. Principe de fonctionnement des caloducs :

Un caloduc est un tube métallique scellé (généralement un tube en cuivre) qui a été mis sous vide. Sa paroi interne est recouverte d'un matériau poreux capillaire (noyau absorbant les liquides) et remplie d'une petite quantité de fluide de travail volatil (tel que l'eau, le méthanol, l'acétone, etc.). 

Son processus de fonctionnement peut être simplifié en quatre étapes : 

Évaporation endothermique : une extrémité du caloduc (la section d'évaporation) est chauffée par le rayonnement solaire et le fluide de travail liquide à l'intérieur du tuyau absorbe la chaleur et s'évapore rapidement en vapeur. 

Écoulement de vapeur : En raison de l'augmentation de la pression dans la section d'évaporation, la vapeur s'écoule à grande vitesse vers l'autre extrémité du caloduc (section de condensation) sous une légère différence de pression. 

Condensation exothermique : la vapeur rencontre le fluide de refroidissement (eau ou antigel) du collecteur dans la section de condensation du refroidisseur, libérant la chaleur latente de vaporisation et se recondensant en liquide. 

Reflux liquide : Le fluide de travail liquide condensé reflue automatiquement vers la section d'évaporation sous l'action capillaire du noyau d'aspiration, complétant ainsi un cycle. 

Ce processus se répète sans alimentation externe. Alimenté uniquement par l'énergie solaire, il peut « transférer » efficacement la chaleur du collecteur à l'échangeur. Son efficacité de transfert thermique est extrêmement élevée, avec un coefficient de conductivité thermique équivalent à des dizaines de milliers de fois celui de métaux tels que l'argent et le cuivre, ce qui lui vaut le surnom de « supraconducteur thermique ».

2. La structure globale du collecteur :

Un collecteur à tube sous vide à caloduc complet se compose des éléments suivants : 

Tube de verre sous vide : il protège le caloduc interne et isole les pertes de chaleur par convection et conduction à travers la couche de vide, tout comme un grand « revêtement de flacon ». 

Caloduc : L'élément de transfert de chaleur central, avec sa section d'évaporation insérée dans un tube à vide pour recevoir l'énergie solaire. 

Plaque/ailette absorbant la chaleur : Fixée à la section d'évaporation du caloduc, elle est utilisée pour maximiser l'absorption du rayonnement solaire et le transférer au caloduc. 

Boîtier collecteur/tube collecteur de chaleur : Tube métallique comportant des canaux d'écoulement, dans lequel est insérée la section de condensation du tube collecteur. Lorsque l'eau froide traverse le collecteur, elle échange de la chaleur avec la section de condensation et est réchauffée avant de s'écouler. 

Couche et coque isolantes : protègent la structure interne et réduisent les pertes de chaleur.

II. Principaux avantages des capteurs solaires à caloducs

Par rapport aux capteurs plats traditionnels ou aux capteurs à tubes sous vide entièrement en verre, la technologie des caloducs apporte des avantages révolutionnaires :

1. Excellente résistance au gel et performances antidéflagrantes :

C'est là le principal avantage du collecteur à caloducs. Le fluide caloporteur du réservoir collecteur est indépendant et étanche, complètement séparé de l'eau du système qui le traverse. Même par temps extrêmement froid, le fluide caloporteur à l'intérieur du tube à vide ne gèle pas et ne provoque pas la rupture du tube collecteur de chaleur par formation de glace. Cela lui permet de fonctionner de manière stable toute l'année sous les hautes latitudes et dans les régions froides, sans risque de gel des tubes en hiver.

2. Efficacité thermique élevée et faible perte de chaleur :

Les tubes en verre sous vide suppriment efficacement les pertes par convection et conduction thermiques. Lors du changement de phase du fluide caloporteur, une importante chaleur latente de vaporisation est transférée, ce qui se traduit par un rendement thermique extrêmement élevé. Par ailleurs, même en cas de faible ensoleillement ou de lumière diffuse, le caloduc présente une faible température de démarrage, une réactivité rapide, une mise en service rapide et une durée de fonctionnement prolongée tout au long de la journée.

3. Fonctionnement stable et fiable, entretien simple 

Fonctionnement sous pression : l'eau du système s'écoule dans le réservoir collecteur en métal, qui peut résister à une pression élevée de l'eau du robinet ou du système, avec un fort débit d'eau et une bonne compatibilité avec le système d'alimentation en eau du bâtiment. 

Conception à isolation thermique : un seul tube à vide est relié au collecteur par un joint élastique. Si un tube à vide est endommagé, il suffit de le tourner et de le retirer séparément. L'eau du système ne fuira pas et les autres tubes collecteurs de chaleur continueront de fonctionner. L'entretien est extrêmement simple et n'affecte pas le fonctionnement global du système. 

Résistance du caloduc à l'exposition à l'air : Le caloduc est doté d'un système d'autorégulation de la température. Une température trop élevée dans la section de condensation diminue l'efficacité du transfert thermique, évitant ainsi la dégradation des performances due à une exposition prolongée à l'air.

4. Installation flexible et intégration facile aux bâtiments

Le capteur est séparé du réservoir d'eau et son emplacement d'installation est libre. Il peut être installé sur le toit, la façade d'un balcon ou un brise-soleil. Le réservoir d'eau peut être placé dans le local technique intérieur, ce qui améliore considérablement la flexibilité et l'esthétique de la conception intégrée au bâtiment.

Iii. Principaux scénarios d'application

Le champ d'application des capteurs solaires à caloducs est extrêmement large, couvrant divers domaines allant de l'eau chaude sanitaire au préchauffage industriel.

1. Systèmes d'eau chaude sanitaire domestiques et commerciaux

Il s'agit de l'application la plus fondamentale et la plus répandue. Elle fournit une eau chaude sanitaire stable et économique aux villas, résidences, hôtels, écoles, hôpitaux, piscines et autres lieux. Sa résistance au gel est particulièrement adaptée aux projets de production d'eau chaude centralisée dans les régions froides du Nord.

2. Système de chauffage solaire

Associé au chauffage par le sol, aux ventilo-convecteurs et à d'autres systèmes terminaux, il assure le chauffage hivernal des bâtiments. Associé à une technologie de stockage de chaleur intersaisonnière, il permet de réduire considérablement la consommation d'énergie fossile en hiver et constitue l'une des technologies clés pour atteindre l'objectif d'une consommation énergétique quasi nulle dans les bâtiments.

3. Chauffage des procédés industriels

De nombreux procédés industriels (tels que la transformation des aliments, l'impression et la teinture des textiles, la galvanoplastie, l'abattage, le génie chimique, etc.) nécessitent de grandes quantités d'eau chaude ou de vapeur à moyenne et basse température (60 à 150 °C). Les capteurs à caloducs peuvent fournir efficacement cette partie de la chaleur propre, en remplacement des chaudières à gaz ou électriques et en aidant les entreprises à réduire leurs émissions de carbone et leurs coûts d'exploitation.

4. Applications agricoles :

Il est utilisé pour la conservation de la chaleur et le chauffage dans les serres, la température constante dans les étangs d'aquaculture, le séchage des produits agricoles, etc., favorisant le développement économe en énergie de l'agriculture moderne.

Iv. Perspectives et défis du marché

Avec l'importance mondiale accordée aux énergies renouvelables et la maturation continue des technologies, les perspectives du marché des capteurs solaires à caloducs sont vastes. Parmi les facteurs déterminants, on peut citer : 

Soutien politique : engagements de réduction des émissions de carbone et politiques de subventions aux bâtiments écologiques des gouvernements du monde entier. 

Sécurité énergétique : réduire la dépendance aux combustibles fossiles traditionnels. 

Efficacité économique : Malgré l’investissement initial relativement élevé, le retour sur investissement sur son cycle de vie de 15 à 20 ans est très considérable. 

Dans le même temps, elle est également confrontée à certains défis 

Coût initial : Par rapport aux collectionneurs traditionnels, son coût de fabrication reste encore relativement élevé. 

Connaissance du marché : il est nécessaire de vulgariser davantage ses avantages technologiques et d’améliorer l’acceptation du marché. 

Intégration du système : Il est nécessaire de mieux s'intégrer avec des systèmes de contrôle plus intelligents, des technologies de stockage d'énergie et des sources d'énergie auxiliaires pour fournir une énergie stable 24 heures sur 24.

V.Conclusion

Les capteurs solaires à caloducs, grâce à leurs avantages physiques intrinsèques, ont résolu de nombreux problèmes rencontrés par les capteurs solaires traditionnels en termes de résistance au gel, de résistance à la pression, d'entretien et de sécurité. Plus qu'un simple chauffe-eau, il s'agit d'une unité solaire thermique modulaire, hautement performante et fiable. Qu'il s'agisse de chauffer des familles ou d'injecter de l'énergie verte dans des usines, elle a fait preuve d'une grande adaptabilité et d'une grande vitalité. 

Dans le contexte actuel de développement durable et d'indépendance énergétique, choisir une solution de capteurs solaires à caloducs, c'est choisir une solution d'avenir, intelligente et fiable, pour exploiter l'énergie verte. Elle deviendra un élément indispensable et crucial pour construire un futur système énergétique intelligent et atteindre l'objectif de neutralité carbone.