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Capteurs solaires thermiques

Capteurs solaires thermiques

Un capteur solaire thermique, également appelé capteur solaire thermique, est un composant d'une installation solaire thermique. Un capteur solaire est un type de panneau solaire chargé de capter le rayonnement solaire et de le transformer en énergie thermique. Pour cette raison, cette source d'énergie renouvelable est appelée énergie solaire thermique.

L'objectif de ce type de panneau solaire est de réaliser une transformation énergétique: le rayonnement solaire subi par les modules solaires est transformé en énergie thermique. Dans certains types d' installations solaires thermiques, cette chaleur est utilisée pour générer de la vapeur et obtenir de l'électricité, mais ce n'est pas la fonction du capteur solaire. D'autre part, les panneaux photovoltaïques ont la capacité de générer de l'électricité directement sous forme de courant continu. Les panneaux photovoltaïques sont un élément indispensable des installations à énergie solaire photovoltaïque.

Du point de vue physique, les capteurs solaires thermiques utilisent la thermodynamique pour effectuer des transformations d'énergie. En revanche, les panneaux photovoltaïques n'utilisent pas les lois de la thermodynamique pour convertir l'énergie solaire, il s'agit plutôt d'un processus électrique.

Types de capteurs solaires thermiques

Il existe de nombreux types de capteurs solaires. Le capteur solaire utilisé dépendra de l'utilisation qui sera donnée. Par exemple, si nous voulons chauffer une piscine à une température de 25-28 degrés Celsius, au printemps, nous avons besoin d'un simple capteur solaire, car la température ambiante sera facilement de cet ordre, voire supérieure. D'autre part, si nous voulons chauffer un fluide à des températures de 200 ° C, nous aurons besoin de capteurs de concentration solaire pour concentrer le rayonnement solaire et le transférer dans un petit volume de fluide.

Actuellement, sur le marché de l'énergie solaire, nous pouvons distinguer les types de capteurs solaires thermiques suivants:

  • Le capteur solaire thermique plat ou plat. Ce type de panneau solaire capte le rayonnement solaire reçu sur une surface pour chauffer un fluide. L'effet de serre est souvent utilisé pour capter la chaleur.
  • Le capteur solaire thermique de concentration de rayonnement solaire. Ce type de collecteur capte le rayonnement reçu sur une surface relativement grande et le concentre à travers des miroirs sur une surface plus petite.
  • Le capteur solaire thermique de tubes à vide. Ce capteur solaire thermique consiste en un ensemble de tubes cylindriques, formés par un absorbeur sélectif, situés sur un tassement réfléchissant et entourés par un cylindre en verre transparent.

Dans les applications solaires à basse température, on utilise principalement des capteurs solaires thermiques à plaques plates. Une application solaire est considérée être effectuée à basse température lorsque la température du fluide de travail est inférieure à 80 ° C; tels que le chauffage des piscines, la production d'eau chaude sanitaire ou même la fourniture de chauffage. Ces plaques plates utilisées peuvent être transportées sans couverture vitrée ou non en fonction de l'application.

Capteurs solaires à plaque plate

capteur solaire à plaque plateL'âme d'un capteur solaire à plaque plate est une grille verticale de tuyaux métalliques, conduisant en parallèle de l'eau froide en parallèle, raccordée par le bas par un tube horizontal à la sortie d'eau froide et par le haut par une autre similaire au retour.

La grille est encastrée dans un couvercle, comme décrit ci-dessus, généralement avec double vitrage et isolation derrière.

Dans certains modèles de capteurs solaires à plaques plates, les tubes verticaux sont soudés à une plaque métallique pour tirer parti de l'insolation entre tube et tube.

Capteurs solaires de tubes à vide "tout verre"

Dans un capteur solaire de tubes à vide, les tubes métalliques du système précédent sont remplacés par des tubes de verre. Les tubes de verre sont encapsulés un à un dans un autre tube de verre entre lequel le vide est créé comme isolant.

Les grands avantages des capteurs solaires à tubes à vide sont leur haute performance. En revanche, en cas de défaillance d'un des tubes, il n'est pas nécessaire de remplacer le panneau entier par un nouveau, mais seul le tube affecté doit être remplacé. Au contraire, il existe un inconvénient: en ce qui concerne les capteurs solaires à plaques plates, ils sont plus chers.

Capteurs solaires de tubes à vide avec "caloducs" par changement de phase

Les panneaux solaires utilisant ce système tirent parti du passage de phase de la vapeur à la liquidité à l'intérieur de chaque tube pour acheminer de l'énergie vers un deuxième circuit de liquide de transport.

Les éléments sont des tubes fermés qui contiennent le liquide qui, chauffé par le soleil, bout et se transforme en vapeur. Ces tubes sont généralement en cuivre. La vapeur générée monte vers le haut où la tête est plus large (zone de condensation). La partie extérieure de la zone de condensation est en contact avec le liquide de transport. Parce que le liquide de transformation est à une température inférieure à la vapeur du tube, il capte la chaleur grâce à un processus de convection thermodynamique et provoque la condensation de la vapeur. Le liquide condensé retombe dans la partie inférieure du tube pour recommencer le cycle.

Le liquide dans le tube peut être de l'eau qui aura un point d'ébullition bas pour fonctionner même avec une insolation de rayons infrarouges en cas de nuage. Le caloduc peut être enveloppé de matériaux isolants afin de minimiser les pertes par irradiation.

Enfin, le caloduc est fermé à l'intérieur d'un autre tube en verre entre lequel le vide doit être isolé. Les tubes en verre résistant sont généralement utilisés pour réduire les dommages en cas de petite neige fondue.

Capteurs solaires à concentration

concentration de capteurs solairesEn énergie solaire, un capteur solaire à concentration est un panneau solaire qui utilise une technique de concentration du rayonnement solaire pour obtenir des températures élevées. Cette technique est utilisée dans les installations solaires à haute et très haute température.

Selon l'application énergétique que vous souhaitez donner, il existe différentes technologies pour appliquer cette technique d'obtention d'énergie renouvelable. De cette manière, on peut trouver, à titre d'exemple, des capteurs solaires paraboliques ou des fours solaires à concentration pour obtenir des températures plus élevées.

Composants d'un capteur solaire

Les capteurs solaires standard sont composés des éléments suivants:

  • Couverture: La couverture d'un capteur solaire est transparente, peut être ou ne pas être présente. Il est généralement en verre, bien que le plastique soit également utilisé, car il est moins coûteux et plus facile à gérer, mais il doit s'agir d'un plastique spécial. Sa fonction est de minimiser les pertes dues à la convection et au rayonnement et doit donc avoir le coefficient de transmission solaire le plus élevé possible. La présence du toit améliore les performances thermodynamiques du panneau solaire.
  • Canal d'air: C'est un espace (vide ou non) qui sépare le couvercle de la plaque absorbante. Son épaisseur sera calculée en tenant compte de l'objectif d'équilibrer les pertes par convection et les températures élevées qui peuvent survenir si elle est trop étroite.
  • Plaque absorbante: La plaque absorbante est l'élément qui absorbe l'énergie solaire et la transmet au liquide qui circule dans les tuyaux. La caractéristique principale de la plaque est qu'elle doit avoir une grande absorption solaire et une émission thermique réduite. Comme les matériaux courants ne répondent pas à cette exigence, les matériaux combinés sont utilisés pour obtenir le meilleur rapport absorption / émission.
  • Tubes ou conduits: Les tubes touchent (parfois soudés) la plaque absorbante de sorte que l'échange d'énergie soit le plus grand possible. Pour les tubes circule le liquide qui sera chauffé et ira au réservoir d'accumulation.
  • Couche isolante: La couche isolante a pour but de recouvrir le système afin d'éviter et de minimiser les pertes. L'isolation étant la meilleure possible, le matériau isolant doit présenter une faible conductivité thermique pour réduire le transfert thermodynamique de la chaleur vers l'extérieur.
  • Accumulateur: l'accumulateur est un élément optionnel, il fait parfois partie intégrante du panneau solaire et, dans ces cas, il est souvent visible immédiatement au-dessus ou à proximité immédiate. Très souvent, l'accumulateur ne fait pas partie du panneau solaire mais du système thermique.

Utilisation de capteurs solaires

Les capteurs solaires sont principalement utilisés pour fournir de l'eau chaude et du chauffage ou pour générer de l'électricité.

Dans le cas de collecteurs d'eau chaude sanitaire et de chauffage, le réservoir stocke l'eau domestique en contact avec le fluide au moyen d'un serpentin. La bobine permet au fluide de transférer l' énergie thermique stockée dans l'eau sans la contaminer. Cette eau peut être utilisée comme eau chaude dans les maisons (intégration à 80%) ou pour compléter le chauffage par le sol des pièces (intégration à 10%). Les panneaux solaires thermiques sont capables de fournir de l'eau chaude en quantité suffisante, mais ne peuvent pas remplacer complètement les méthodes de chauffage habituelles en raison du manque d'énergie solaire.

Les capteurs solaires destinés à la production d'électricité exigent que l'échangeur de chaleur soit chauffé jusqu'à son ébullition. Une fois que le liquide a terminé le changement de phase thermodynamique et est passé en phase gazeuse, il est envoyé à une turbine thermoélectrique qui convertira le mouvement de la vapeur d'eau en énergie électrique. Ce type de système s'appelle la thermodynamique solaire et nécessite de grands espaces pour l'installation de panneaux solaires et une présence constante du soleil. Des exemples de ces plantes ont été installés dans les déserts.

Connexion de capteurs solaires thermiques

Lors de la définition et de l'installation d'une installation solaire thermique, il faut tenir compte du fait que la distribution des capteurs solaires doit être faite en groupes.

Ces groupes de capteurs solaires thermiques devraient toujours être formés par des unités du même modèle et avec une distribution aussi uniforme que possible.

Il existe deux options ou types de base permettant de regrouper deux ou plusieurs collecteurs: en série ou en parallèle. De plus, un champ de saisie peut être configuré en combinant les deux groupes, ce que nous appelons des groupes ou des circuits mixtes.

Raccordement de capteurs solaires en série

En connexion en série, la sortie du premier capteur solaire est connectée directement à l'entrée du suivant, et ainsi de suite. La température du fluide entrant dans chaque capteur est supérieure à celle du capteur précédent, de sorte qu'à la sortie d'un groupe de capteurs, nous pouvons obtenir des températures plus élevées que si nous travaillions avec le saut thermique d'un seul capteur.

Ce type de connexion a pour inconvénient que les performances des capteurs diminuent proportionnellement à l'augmentation de la température de travail; Par conséquent, ce type de connexion n'est utilisé que dans des applications très particulières et avec un maximum de 6 à 10 m2 de capteurs solaires thermiques connectés en série, en fonction de la zone climatique.

En ce qui concerne le comportement hydraulique de cette configuration, le débit total du groupe de panneaux solaires sera l'équivalent du débit d'un seul panneau et, au contraire, la perte de charge causée par le groupe sera équivalente à la somme de la perte de charge. charge de tous les capteurs solaires.

Raccordement de capteurs solaires en parallèle

Lors de la connexion de capteurs solaires parallèles, la sortie et l'entrée des capteurs sont reliées à des points d'entrée et de sortie communs au reste des capteurs.

Avec cette configuration, la température du fluide d'entrée est la même dans tous les capteurs et il en va de même avec les températures de sortie, de sorte qu'à la sortie de la batterie ou du groupe de capteurs, nous obtenons la température comme si nous travaillions avec le saut. collecteur thermique unique.

Par conséquent, tous les collecteurs travaillent au même point sur la courbe de performance. Cette connexion est la plus courante dans les installations solaires thermiques à basse température.

Hydrauliquement, cette configuration présente un flux total du groupe, ce qui équivaut à la somme des flux partiels de chaque capteur, tandis que la perte de charge du groupe sera équivalente à celle d'un capteur solaire thermique.

Connexion mixte de capteurs solaires

Parfois, le volume des capteurs et / ou la nécessité de températures plus élevées se traduisent par des installations combinant la disposition en série et en parallèle. Nous appelons ce type de connexion de panneaux solaires mixte.

Équilibrer le champ de collecte

Il existe essentiellement deux méthodes pour équilibrer le flux de fluide caloporteur dans un champ de capteurs solaires thermiques:

  • Correspondant à la longueur des circuits. Ceci est réalisé avec ce qu'on appelle un retour inversé. Autrement dit, égalisez la longueur des tuyaux de raccordement de tous les capteurs solaires de sorte que le fluide subisse la même perte de charge.
  • Insertion des pertes de charge par la mise en place de vannes d'équilibrage à l'entrée des batteries de collecte. Ainsi, à une longueur de circuit plus courte, plus de perte de pression est appliquée avec la vanne correspondante.
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Dernier examen: 7 novembre 2019