Film absorbant solaire : la technologie « Soul Black » des capteurs plans

Au cœur du capteur solaire plan, la plaque d'absorption thermique joue indéniablement un rôle crucial. C'est précisément le revêtement absorbant sélectif, apparemment simple mais de haute technologie, appliqué à sa surface qui lui confère sa capacité à convertir efficacement l'énergie. Ce revêtement spécial est considéré comme l'âme du capteur plan, déterminant directement l'efficacité de la collecte thermique, la température de fonctionnement et la durée de vie de l'ensemble du système. Cet article approfondit les principes techniques, l'historique de son évolution, les indicateurs de performance de ce revêtement et son impact clé sur l'efficacité globale du capteur.

I. Fonction principale : pourquoi l’absorption « sélective » est-elle nécessaire ?

L'énergie du rayonnement solaire est principalement composée de lumière visible et de lumière proche infrarouge, et sa distribution énergétique est approximativement équivalente à celle du rayonnement du corps noir à 5 800 K. Lorsque la plaque d'absorption thermique du capteur est en fonctionnement (généralement à une température inférieure à 150 °C), elle génère également un rayonnement infrarouge dû à la chaleur, ce qui entraîne des pertes thermiques. 

1. Une couche de film absorbant idéale doit atteindre deux objectifs apparemment contradictoires : 

Maximiser l’absorption de l’énergie du spectre solaire (longueurs d’onde 0,3-2,5 μm). 

Minimiser l’énergie du rayonnement infrarouge (longueur d’onde > 2,5 μm) généré par la plaque absorbant la chaleur elle-même. 

2. Cette caractéristique « uniquement en entrée, sans sortie » est au cœur de l'absorption sélective. Ses performances sont définies par deux paramètres clés : 

Taux d'absorption de l'énergie solaire (α) : Capacité d'une couche de film à absorber l'énergie du rayonnement solaire. Plus la valeur idéale est proche de 1 (100 %), mieux c'est. 

Émissivité thermique (ε) : Capacité d'une couche de film à diffuser la chaleur vers l'extérieur à sa température de fonctionnement. Plus la valeur idéale est proche de 0 %, meilleure est la performance. 

Par conséquent, le véritable indicateur clé pour évaluer la qualité d'une couche de film est son rapport de performance de conversion photothermique (α/ε). Plus ce rapport est élevé, meilleure est la sélectivité et plus le bénéfice net du collecteur est élevé.

Ii. Évolution technologique : de la peinture noire ordinaire aux revêtements de haute technologie

Le développement de la couche de film d’absorption a connu trois générations d’innovations technologiques : 

1. La première génération : Revêtement non sélectif 

Matériau : Peinture noire ordinaire (comme la peinture pour asphalte, la peinture pour tableau noir). 

Caractéristiques : Bien que le taux d'absorption soit relativement élevé (α ~0,90-0,95), l'émissivité est également extrêmement élevée (ε ~0,85-0,90), et le rapport α/ε est proche de 1. Il ressemble à une pierre noire, capable d'absorber la chaleur mais aussi de la dissiper facilement. Il est inefficace et a été largement abandonné. 

2. La deuxième génération : le revêtement sélectif intrinsèque 

Matériaux : Certains matériaux intrinsèquement sélectifs, comme le chrome noir, le nickel noir, l'oxyde de cuivre (CuO), l'oxyde de fer (Fe3O4), etc. 

Caractéristiques : Ces matériaux présentent des propriétés optiques différentes pour différentes longueurs d’onde lumineuses au niveau de la microstructure. Par exemple, le revêtement électrolytique traditionnel en chrome noir est réputé pour sa stabilité exceptionnelle (résistance aux hautes températures et à l’humidité), avec un taux d’absorption α de 0,93 à 0,97, une émissivité ε de 0,08 à 0,12 et une augmentation significative du rapport α/ε à plus de 10. 

La troisième génération : revêtement sélectif à gradient (revêtement de type interférence optique) 

Technologie : La technologie de revêtement sous vide par pulvérisation magnétron (magnétron sputtering) est adoptée. 

Structure : En déposant successivement plusieurs couches de films nanométriques avec différents indices de réfraction (tels que le nitrure d'aluminium, le nitrure de zirconium et les composites acier inoxydable-nitrure d'aluminium) sur un substrat métallique (tel que le cuivre ou l'aluminium), une structure « à gradient » avec un indice de réfraction changeant progressivement de la surface au substrat est formée. 

Principe de fonctionnement : Utilisant le principe d'interférence optique, l'épaisseur et le matériau de chaque couche du film ont été précisément conçus pour provoquer de multiples réflexions et interférences de la lumière solaire à l'intérieur de la couche, laquelle est finalement presque entièrement absorbée (effet piège). Cette structure multicouche présente une forte réflectivité au rayonnement infrarouge à ondes longues, supprimant ainsi l'émission thermique. 

Caractéristiques : Il s’agit de la technologie haut de gamme la plus répandue actuellement. Ses performances sont excellentes, avec un taux d’absorption α > 0,95 et une émissivité ε aussi faible que 0,04-0,06 (à 80 °C), et un rapport α/ε pouvant dépasser 15. Son aspect est généralement bleu-noir uniforme ou noir foncé.

III. Indicateurs de performance de base et normes de test

Pour évaluer la qualité d’une couche de film absorbant, les principales performances suivantes doivent être prises en compte : 

Performances optiques : α > 0,95, ε < 0,05 sont les caractéristiques des produits haut de gamme. 

Résistance aux intempéries (durabilité) 

Résistance à l'humidité et à la chaleur : Après des centaines d'heures de tests dans un environnement à haute température et humidité élevée (par exemple, 85 °C et 85 % d'humidité relative), la dégradation des performances devrait être minimale. C'est la clé pour évaluer la durée de vie du revêtement. 

Résistance à la chaleur : il peut fonctionner de manière stable pendant une longue période dans des conditions de travail de 150 à 200 ℃ sans pelage, écaillage ou oxydation. 

Résistance au brouillard salin : pour les zones côtières, la capacité à résister à la corrosion saline est d’une importance vitale. 

Adhérence : Le revêtement doit être solidement fixé au substrat métallique. Des tests, tels que des essais transversaux, garantissent son adhérence. 

Résistance à l'exposition au soleil : Dans des conditions extrêmes d'exposition au soleil, les performances du revêtement restent stables, sans vieillissement ni défaillance.

IV. Technologies de revêtement grand public

Type de revêtement : Revêtement aluminium-azote à gradient de pulvérisation cathodique (film bleu/film noir

Performances optiques : Excellentes (α>0,95, ε<0,05)

Résistance aux intempéries : Excellente (résistante à la chaleur humide et aux températures élevées)

Respect de l'environnement : Respectueux de l'environnement, sans métaux lourds

Coût : Relativement élevé (investissement en équipement important)

Aspect : Bleu-noir uniforme ou noir foncé

Tendances du marché : orientations principales et futures

V. Comment choisir des couches de film de haute qualité pour votre collectionneur ?

Renseignez-vous sur le type de technologie : Privilégiez le revêtement aluminium-azote à gradient utilisant la technologie de pulvérisation cathodique magnétron. 

Demander des paramètres de performance : demandez au fournisseur de fournir un rapport émis par un institut de test faisant autorité, en mettant l'accent sur les résultats des tests de taux d'absorption (α), d'émissivité (ε) et de résistance à l'humidité et à la chaleur. 

Observez l'aspect : un revêtement de haute qualité présente une couleur uniforme, une bonne densité et une absence de rayures et de défauts. Il peut être manipulé délicatement. Aucune poudre ne doit tomber. 

Choisissez une marque fiable : les matériaux de revêtement de marques connues ont une qualité plus stable et une durée de vie garantie.

Vi. Conclusion

Bien que le film d'absorption solaire sélective soit fin, il constitue l'un des composants clés de la technologie des capteurs solaires plans, offrant le plus haut niveau technologique et la plus grande valeur ajoutée. De la simple peinture noire au revêtement haute technologie par pulvérisation cathodique sous vide, chacune de ses évolutions a considérablement amélioré l'efficacité et la rentabilité de l'exploitation solaire thermique. 

Aujourd'hui, le revêtement à gradient haute performance est devenu la norme pour les capteurs plans haut de gamme. Il détermine non seulement la puissance du capteur par beau temps, mais aussi sa capacité de captation thermique par temps pluvieux, dans les environnements froids en hiver et la fiabilité à long terme de l'ensemble du système. Lors du choix d'un capteur plan, une compréhension approfondie de cette couche noire interne est sans aucun doute cruciale pour prendre une décision éclairée. Investir dans un capteur robuste, c'est investir dans des avantages en termes d'efficacité énergétique pour les décennies à venir.