Le capteur solaire plan est un type de panneau solaire thermique dont l'objectif est de transformer le rayonnement solaire en énergie thermique.
Ce type de panneaux solaires thermiques présente un bon rapport coût/efficacité dans les climats tempérés et s'adapte correctement à un grand nombre d'applications thermiques, telles que :
- Production d'eau chaude sanitaire (ECS).
- Chauffage piscine.
- Aide au chauffage grâce à l’énergie solaire thermique.
- Préchauffage de fluides industriels.
Parties d'un capteur solaire plat
Le capteur solaire plan est composé des éléments suivants :
1. Absorbeur
L'absorbeur est l'élément qui intercepte le rayonnement solaire à l'intérieur du capteur et est chargé de transformer l'énergie solaire en énergie thermique.
L'absorbeur est généralement constitué d'une feuille de métal, généralement en cuivre (un bon conducteur thermique), qui est noircie. Les corps sombres et mats capturent mieux le rayonnement solaire que toute autre couleur.
Il existe deux manières d'assombrir l'absorbeur :
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Une fine pellicule de peinture calorique noire résiste aux températures élevées.
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Un traitement sélectif, basé sur des dépôts électrochimiques ou des peintures avec des oxydes métalliques qui ont une forte absorption du rayonnement solaire et une faible émissivité de chaleur.
L'absorbeur intègre une grille conductrice à travers laquelle circulera le fluide caloporteur.
2. Couverture transparente
Le couvercle transparent a pour fonction d'isoler le capteur solaire des conditions environnementales extérieures et de laisser passer le rayonnement solaire. Cette couverture est à l'origine de l'effet de serre.
Il est normalement constitué d'une seule feuille de verre résistant d'environ 4 mm d'épaisseur.
Cette partie n’est présente que dans les capteurs solaires plats à vitrage.
3. Isolement
L'isolation a pour fonction d'empêcher les pertes de chaleur de l'intérieur du capteur - en particulier de l'absorbeur - vers l'extérieur. Il est normalement constitué de feuilles de mousses synthétiques (polyuréthane, cyanure, fibre de verre, etc.) situées sur les côtés et à l'arrière du panneau solaire.
4. Boîtier
Le boîtier sert à abriter le reste des composants du capteur solaire.
Cette fermeture est normalement constituée d'un profilé en aluminium qui garantit la résistance de l'ensemble, même dans des conditions de travail extrêmes. De plus, le boîtier comporte des trous d'évacuation des condensats en partie inférieure.
Comment fonctionne un capteur solaire plat ?
Le fonctionnement d'un capteur solaire plat est basé sur le transfert de chaleur.
Le rayonnement solaire affecte l'absorbeur de chaleur du capteur. Lorsque le rayonnement atteint la surface de l’absorbeur, une partie de son énergie est convertie en chaleur. Par conséquent, la température du capteur solaire augmente.
Si l'on fait passer un fluide à l'intérieur du collecteur, une partie de cette chaleur est transférée au liquide conformément aux première et deuxième lois de la thermodynamique. Le reste de l’énergie continue d’être perdu sous forme de rayonnement du capteur solaire thermique vers l’environnement extérieur.
Si l'on veut obtenir de bonnes performances et réduire la consommation d'énergie, il faut faire fonctionner les capteurs à la température la plus basse possible.
Types de capteurs solaires plats
Nous pouvons classer les capteurs solaires plats de deux manières différentes.
D'une part, si on les classe en fonction de la configuration de l'absorbeur on a :
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Configuration à absorbeurs parallèles : Ce type de collecteur peut être utilisé en position horizontale et verticale. La configuration parallèle permet une stratification de la température dans le collecteur, puisque le plus grand volume d'eau circule à travers les branches internes du collecteur.
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Configuration absorbeur en série : il est composé d'un seul circuit continu, avec un volume d'eau en circulation plus faible et un saut thermique plus important, ce qui lui confère de bonnes performances.
D’autre part, on peut également distinguer les capteurs solaires selon qu’ils sont vitrés ou non :
- Vitrage – Principalement utilisé dans les systèmes de chauffage de l’eau domestique ou autres installations de chauffage. Sa température de fonctionnement varie entre 30 °C et 60 °C. Ce collecteur est constitué d'un caisson isotherme recouvert de vitrage. A l'intérieur de ce caisson, un absorbeur transmet la chaleur au fluide qui y circule. Le vitrage bloque le rayonnement infrarouge et isole la lame d'air au-dessus de l'absorbeur, retenant ainsi la chaleur.
- Non vitré : Ce type de collecteur est moins cher, bien que moins courant. En fonction de la température extérieure, il est généralement utilisé dans les systèmes de chauffage des piscines ou parfois comme système de chauffage de l'eau chaude dans les régions chaudes. Dans les zones tempérées, la température de fonctionnement est généralement inférieure à 30°C.
Avantages des capteurs solaires vitrés
Ce type de collecteurs a un couvercle transparent qui emprisonne le rayonnement qui rebondit sur l'absorbeur et augmente l'efficacité globale. Pour y parvenir, le couvercle transparent du collecteur génère un effet de serre.
L'effet de serre est généré dans certains corps transparents, qui ne sont normalement traversés que par des rayonnements de longueurs d'onde comprises entre 0,3 et 3 microns. Étant donné que la majeure partie du rayonnement solaire se situe entre 0,3 et 2,4 microns, la lumière du soleil peut traverser le verre.
Une fois traversé, le rayonnement trouve l'absorbeur qui est chauffé par le rayonnement solaire et émet un rayonnement compris entre 4,5 et 7,2 microns qui ne peut plus traverser le verre.
Ce rayonnement solaire qui ne peut pas sortir est à nouveau réfléchi vers l'intérieur. Une partie de cette énergie chauffe le verre et le verre l’envoie vers l’intérieur et vers l’extérieur.