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CHAPITRE 01
Generalites sur les capteurs solaires thermiques
Introduction
Une energie renouvelable est une energie renouvelee naturellement.A l'heure actuelle, toutes les exigences indiquees sont mieux remplies par un melange eau-glycol avec des inhibiteurs liquides.Collecteur a tubes sous vide a circulation directe
Dans cette conception (Figure 1.9), le fluide caloporteur est soit achemine via un systeme tube dans tube (tube coaxial) jusqu'a la base de l'ampoule en verre, ou il reflue dans le flux de retour et absorbe ainsi la chaleur de l'absorbeur, ou il s'ecoule a travers un tube en forme de U.

Figure 1.9
Les capteurs a tubes sous vide a circulation directe peuvent etre orientes vers le sud, mais ils peuvent egalement etre montes horizontalement sur un toit plat.Il presente les caracteristiques suivantes :
Deux echangeurs de chaleur pour deux sources de chaleur (bivalents) : un echangeur de chaleur solaire et un echangeur de chaleur supplementaire pour une chaudiere de chauffage
Raccordement direct au reseau d'eau froid
Uni : 150-2001
Allemagne : 300-500 1 sur le segment des maisons unifamiliales et bi familiales
Etats-Unis : 50-100 gal (environ 200-400 1)
Australie : 300-400 1 pour 3-4 personnes.Un collecteur a tubes sous vide se compose d'un certain nombre de tubes relies entre eux et relies en haut par un distributeur ou une boite collectrice isolee, dans lequel passent les conduites d'alimentation ou de retour.En Europe centrale et du Nord, ainsi qu'aux Etats-Unis, au Canada et dans d'autres pays, les installations thermiques solaires fonctionnent avec un melange d'eau et de glycol qui circule dans un circuit ferme (recirculation forcee).Rayonnement et interaction avec la matiere
Lorsque la lumiere du soleil a courte longueur d'onde (longueur d'onde de 0,3 a 3,0 um) frappe un objet, tel qu'une couverture solaire, elle est reflechie plus ou moins fortement selon la structure de la surface (materiau, rugosite et couleur).Selon sa densite et sa temperature, un systeme en couches est cree dans le reservoir : l'eau la plus chaude se trouve en haut (d'ou elle sort du reservoir lorsque les robinets sont ouverts) et la plus froide en bas (ou l'eau froide est fournie).Figure 1.2

Pour les climats temperes, dans une installation solaire pour maisons unifamiliales ou bi familiales mesurant environ 0,6 a 1,0 m2 de surface de capteur par personne et environ 40 a 60 1 de volume de stockage par personne, l'eau est principalement chauffee par l'installation solaire.Figure 1.3
Differentes definitions de surface sont utilisees dans la litterature des fabricants pour decrire la geometrie des capteurs, et il est important de ne pas les confondre :
La surface totale (surface du capteur) est le produit des dimensions exterieures et determine, par exemple, la surface minimale du plafond requise pour l'installation.Contrairement a la peinture noire, celui-ci presente une structure multicouche qui optimise la conversion du rayonnement solaire a ondes courtes en chaleur tout en maintenant aussi bas que possible le rayonnement thermique.Il atteint des temperatures elevees, par exemple pour la production de vapeur ou la climatisation
Grace a son faible poids, il peut etre facilement transporte vers n'importe quel lieu d'installation : parfois le capteur est assemble sur le lieu d'installation.Figure 1.1
En Australie, en Palestine et dans d'autres pays du bassin mediterraneen, ainsi que dans de nombreux autres pays, en particulier dans les climats tropicaux ou subtropicaux, les systemes sont concus sur la base du principe de l'elevation de l'eau chaude.Les capteurs a tubes sous vide sont plus adaptes pour des climats froids, des besoins en eau chaude plus eleves, et des applications industrielles en raison de leur meilleure performance a des temperatures plus elevees et sous des conditions de faible intensite solaire.Comparaison entre collecteurs solaires plans en verre et sous vide :
Les capteurs solaires plans
Construction : Un panneau plat avec une surface absorbante couverte de verre ou de plastique transparent.b) Capteur hybride PVT a air

Figure 1.14 : Capteurs hybrides PVT (a-PVT a eau, b-PVT a air) [**]
Fonctionnement d'un Capteur PVT
Un capteur hybride est une combinaison d'un capteur plat a vitrage thermique et de cellules solaires qui convertissent la lumiere du soleil en energie electrique.Composants Thermiques (T) : La partie thermique capture la chaleur solaire, souvent a l'aide de tubes ou de plaques conductrices placees derriere les cellules PV, et la transfere a un fluide caloporteur (eau ou air).Ces procedes se caracterisent par une consommation d'energie nettement inferieure et une charge environnementale moindre lors de la fabrication par rapport aux revetements de nickel noir et de chrome noir, qui sont generalement appliques par galvanoplastie.Figure 1.8 :
Fonctionnement
Pour les capteurs a tube sous vide, l'absorbeur est installe sous forme de bandes metalliques plates ou voutees vers le haut, ou sous forme de revetement applique sur une ampoule de verre interne dans un tube de verre sous vide.Le fabricant britannique Thermo max a concu un systeme de limitation de temperature de stagnation, dans lequel un ressort a memoire de forme est utilise pour fermer le condenseur a partir d'une temperature de 130?C et ainsi decoupler thermiquement le systeme du dispositif de collecte.Reduction des couts et de l'espace : en combinant les deux technologies en un seul systeme, les capteurs PVT permettent de reduire l'espace requis et les couts d'installation par rapport a l'installation separee de panneaux PV et de capteurs thermiques.Ils ont donc des pertes de chaleur plus elevees et ne peuvent etre utilises qu'a des temperatures de fonctionnement tres basses, mais en raison de la simplicite de leur construction, ils sont peu couteux.Collecteurs sous vide
Collecteurs a tubes sous vide
Pour reduire les pertes thermiques dans un collecteur, les cylindres en verre (avec absorbeurs internes) sont evacues de la meme maniere que les thermos (Figure 1.8).Pour le type sec (Figure 1.11), le condenseur entoure completement le capteur et assure une bonne liaison thermique avec un echangeur thermique a double tube : le transfert de chaleur s'effectue du condenseur via la paroi du tube vers le fluide caloporteur.Sous forme de tubes a flux direct, il peut etre monte horizontalement sur un toit plat, offrant ainsi moins de charge de vent et des couts d'installation reduits.Collecteur hybride (Capteur PVT)
Un capteur PVT (Photovoltaique-Thermique) est un type de dispositif hybride qui combine les technologies des panneaux solaires photovoltaiques (PV) et des capteurs solaires thermiques (T).Pour recueillir l'energie envoyee par le soleil sous forme de chaleur, le capteur solaire thermique est utilise, mais pour convertir l'energie solaire sou forme d'electricite, on a recours au capteur solaire photovoltaique
Comment fonctionne l'installation thermique solaire ?D'autres solutions courantes consistent a utiliser le chauffe-eau solaire comme prechauffeur et a connecter l'eau chauffee a l'energie solaire a une chaudiere conventionnelle, ou (principalement pour les climats ensoleilles) a utiliser un element electrique.Celui-ci est compose d'une feuille metallique conductrice de chaleur (en cuivre ou en aluminium par exemple, en surface unique ou en bandes) avec un revetement sombre.Un autre facteur pour un rendement energetique eleve est une faible capacite thermique, ce qui permet une reaction rapide au niveau toujours changeant du rayonnement solaire.Il ne convient pas pour generer des temperatures plus elevees, quand cela est necessaire par exemple pour la production de vapeur, ou pour l'alimentation en chaleur des machines frigorifiques a absorption.En tournant les bandes absorbantes (en usine ou lors du montage), elles peuvent etre orientees vers le soleil (uniquement pertinent pour certains produits).Avantages et inconvenients des Capteurs PVT
Avantage :
Double utilisation de l'energie solaire : les capteurs PVT maximisent l'utilisation de l'energie solaire en produisant a la fois de l'electricite et de la chaleur, augmentant ainsi l'efficacite globale du systeme.Applications multiples : Les capteurs PVT peuvent etre utilises pour des applications residentielles, commerciales et industrielles, fournissant de l'electricite, de l'eau chaude sanitaire, du chauffage de l'air ou meme du chauffage de piscines.Comme les temperatures de fonctionnement des capteurs peuvent etre comprises entre -15?C et +350?C, si nous utilisons de l'eau seulement comme fluide caloporteur, nous aurons des problemes de gel et d'evaporation.Outre une capacite thermique et une conductivite suffisamment elevees ainsi qu'une bonne protection contre le gel et la corrosion, une autre exigence du liquide solaire est sa biodegradabilite.Conclusion
Les capteurs solaires plans sont generalement preferes pour des applications residentielles ou commerciales avec des besoins moderes en eau chaude et dans des climats plus chauds.Dans certains pays, il existe egalement des systemes qui utilisent de l'eau pure comme liquide caloporteur ou avec la circulation directe des eaux usees.Collecteurs
Le role des capteurs est de convertir autant de lumiere que possible en chaleur, puis de transferer cette chaleur avec une faible perte vers le systeme final.Capteurs solaires plats en verre
Conception
La plupart des capteurs solaires plats en verre disponibles sur le marche sont composes d'un absorbeur thermique metallique dans un boitier rectangulaire plat.Celui-ci ne doit pas se vaporiser aux temperatures indiquees, sinon il pourrait se deposer sur la vitre et alterer sa capacite de transmission de la lumiere.Le dispositif d'absorption et d'isolation thermique est installe dans un boitier et est entoure par le dessus d'un materiau transparent pour la lumiere pour la protection et pour realiser ce qu'on appelle l'effet de serre.Le verre a faible teneur en fer (qui est tres transparent) est principalement utilise, sous forme de verre de securite d'une epaisseur de 3 a 4 mm Le coefficient de transmission de la lumiere est au maximum de 91%.Il atteint un rendement eleve avec un faible rayonnement
Il prend en charge les applications de chauffage des locaux plus efficacement que les plaques plates vitrees.L'ajout de 40 % de propylene glycol, actuellement majoritairement utilise, permet d'obtenir une protection contre le gel jusqu'a -23 ?C ainsi qu'une augmentation du point d'ebullition jusqu'a 150?C ou plus, selon la pression.Ces systemes sont appeles des systemes de siphon thermique, et le reservoir de stockage est toujours situe a l'exterieur, directement au-dessus du collecteur solaire, voir la figure 1.2.Cela permet d'obtenir un degre de couverture annuel (proportion de l'energie solaire par rapport a l'energie totale necessaire au chauffage de l'eau domestique) d'environ 50 a 60 %.Ce type de capteur a des performances inferieures a celles d'un capteur en verre plat car il ne possede pas de couverture en verre, de boitier ou d'isolant thermique.La chaleur est creee par l'absorption et conduite dans la feuille metallique vers les tubes ou canaux du fluide caloporteur.De plus, le gain d'energie de ces absorbeurs est plus eleve a des temperatures plus elevees ou a de faibles niveaux d'irradiation solaire que celui des absorbeurs dotes de revetements en chrome noir ou en nickel noir.Isolation
Pour reduire les pertes de chaleur vers l'environnement par conduction thermique, le dos et les bords du collecteur sont thermiquement isoles.Dans ce double tube sous vide est enfichee une plaque conductrice thermique en liaison avec un tube en U auquel la chaleur est transferee.Figure 1.10
Collecteurs a tubes sous vide a caloducs
Dans ce type de collecteur, une bande absorbante a revetement selectif, liee metalliquement a un caloduc, est branchee dans le tube de verre sous vide.Les capteurs a tubes sous vide a caloducs sont proposes en deux versions, une avec un raccordement sec et une avec un raccordement humide.Capteurs Solaires a Tubes Sous Vide :
Construction : Compose de tubes en verre sous vide, chaque tube agissant comme un petit collecteur individuel.Refroidissement des cellules PV : La partie thermique peut aider a refroidir les cellules photovoltaiques, ameliorant ainsi leur efficacite, car les cellules PV fonctionnent mieux a des temperatures plus basses.Les reservoirs emailles doivent etre equipes d'une anode en magnesium ou galvanique externe pour des raisons de protection contre la corrosion (vides ou microfissures dans l'email).A l'interieur du dispositif d'absorption se trouve un systeme de tubes remplis de liquide caloporteur (generalement de l'eau ou un melange antigel), cela absorbe la chaleur generee.Ensuite, le liquide refroidi retourne a travers un deuxieme tube vers le collecteur tandis que l'eau chaude domestique monte dans le reservoir.La zone d'ouverture correspond a la zone par laquelle la lumiere penetre dans le capteur, c'est a- dire la zone par laquelle le rayonnement solaire passe jusqu'au capteur lui-meme.Les collecteurs non vitres peuvent etre trouves dans divers domaines d'application, mais sont principalement utilises pour chauffer l'eau des piscines.Cependant, les derniers developpements en matiere de revetements selectifs presentant des caracteristiques optiques ameliorees actuellement proposes sur le marche ont ete appliques soit par procede sous vide, soit par pulverisation cathodique.Dans certains pays, des collecteurs sont proposes avec une isolation thermique translucide sous le panneau en verre.A mesure que la difference de temperature entre l'absorbeur et l'air exterieur augmente, les pertes de chaleur augmentent pour un rayonnement solaire constant, de sorte que l'efficacite diminue.Les cellules solaires sont electriquement isolees sur la surface d'un absorbeur refroidi par liquide avec lequel elles sont reliees par conduction thermique.Les rendements electriques sont dans la meme gamme que ceux des systemes photovoltaiques conventionnels, et les rendements thermiques sont dans la gamme des capteurs sans absorbeurs a revetement selectif.Les reservoirs en acier inoxydable sont relativement legers et ne necessitent aucun entretien, mais nettement plus chers que les reservoirs en acier emaille.Les capteurs PVT representent une solution innovante et efficace pour tirer le meilleur parti de l'energie solaire, en produisant simultanement de l'electricite et de la chaleur.Dans la plupart des systemes de chauffage solaire de l'eau - le type le plus couramment utilise de systeme thermique solaire - la chaleur est ensuite transferee a l'eau domestique par un echangeur de chaleur.Incombustible
non toxique
Bon marche.


Original text

CHAPITRE 01
Généralités sur les capteurs solaires thermiques
Introduction
Une énergie renouvelable est une énergie renouvelée naturellement. Les énergies renouvelables sont issues de phénomènes naturels, réguliers ou constants. Les sources d’énergies renouvelables sont fréquentes et variées (solaire, hydraulique, biomasse....). Parmi les plus utilisées, on trouve l’énergie solaire vue que c’est une énergie plus ou moins facile d’accès. Pour recueillir l'énergie envoyée par le soleil sous forme de chaleur, le capteur solaire thermique est utilisé, mais pour convertir l’énergie solaire sou forme d’électricité, on a recours au capteur solaire photovoltaïque
Comment fonctionne l'installation thermique solaire ?
Le collecteur thermique capte les rayons du soleil pour les transformer en chaleur. Ainsi, le capteur est le lien entre le soleil et l'utilisateur de l'eau chaude. La chaleur est générée en absorbant les rayons du soleil à travers une plaque métallique revêtue de couleur sombre généralement - absorbante. C'est la partie la plus importante du collecteur. À l'intérieur du dispositif d'absorption se trouve un système de tubes remplis de liquide caloporteur (généralement de l'eau ou un mélange antigel), cela absorbe la chaleur générée. Il est collecté dans un tube, puis circule vers le réservoir d'eau chaude. Dans la plupart des systèmes de chauffage solaire de l'eau - le type le plus couramment utilisé de système thermique solaire - la chaleur est ensuite transférée à l'eau domestique par un échangeur de chaleur. Ensuite, le liquide refroidi retourne à travers un deuxième tube vers le collecteur tandis que l'eau chaude domestique monte dans le réservoir. Selon sa densité et sa température, un système en couches est créé dans le réservoir : l'eau la plus chaude se trouve en haut (d'où elle sort du réservoir lorsque les robinets sont ouverts) et la plus froide en bas (où l'eau froide est fournie).
En Europe centrale et du Nord, ainsi qu'aux États-Unis, au Canada et dans d'autres pays, les installations thermiques solaires fonctionnent avec un mélange d'eau et de glycol qui circule dans un circuit fermé (recirculation forcée). Ce système, qui comprend un circuit solaire séparé du circuit d'eau domestique, est appelé système indirect (voir figure 1.1). Dans certains pays, il existe également des systèmes qui utilisent de l'eau pure comme liquide caloporteur ou avec la circulation directe des eaux usées.


Figure 1.1
En Australie, en Palestine et dans d'autres pays du bassin méditerranéen, ainsi que dans de nombreux autres pays, en particulier dans les climats tropicaux ou subtropicaux, les systèmes sont conçus sur la base du principe de l'élévation de l'eau chaude. Ces systèmes sont appelés des systèmes de siphon thermique, et le réservoir de stockage est toujours situé à l'extérieur, directement au-dessus du collecteur solaire, voir la figure 1.2.


Figure 1.2


Pour les climats tempérés, dans une installation solaire pour maisons unifamiliales ou bi familiales mesurant environ 0,6 à 1,0 m² de surface de capteur par personne et environ 40 à 60 1 de volume de stockage par personne, l'eau est principalement chauffée par l'installation solaire. En été. Cela permet d'obtenir un degré de couverture annuel (proportion de l'énergie solaire par rapport à l'énergie totale nécessaire au chauffage de l'eau domestique) d'environ 50 à 60 %. Les 40 à 50 % restants doivent être couverts par le chauffage d'appoint. Pour les systèmes à pompage, cela se fait souvent au moyen d'un échangeur de chaleur supplémentaire. D'autres solutions courantes consistent à utiliser le chauffe-eau solaire comme préchauffeur et à connecter l'eau chauffée à l'énergie solaire à une chaudière conventionnelle, ou (principalement pour les climats ensoleillés) à utiliser un élément électrique. Un autre facteur déterminant pour déterminer le niveau d’énergie supplémentaire nécessaire est la température cible de l'eau domestique sur le contrôleur de la chaudière. Cependant, dans certains pays, la réglementation sur l'eau chaude sanitaire impose une limite inférieure à cette température de réglage, à 60°C.
Collecteurs
Le rôle des capteurs est de convertir autant de lumière que possible en chaleur, puis de transférer cette chaleur avec une faible perte vers le système final. Il existe de nombreux types et conceptions différents pour différentes applications, tous avec des coûts et des performances différentes (voir figure 1.3).


Figure 1.3
Différentes définitions de surface sont utilisées dans la littérature des fabricants pour décrire la géométrie des capteurs, et il est important de ne pas les confondre :
La surface totale (surface du capteur) est le produit des dimensions extérieures et détermine, par exemple, la surface minimale du plafond requise pour l'installation.
La zone d'ouverture correspond à la zone par laquelle la lumière pénètre dans le capteur, c'est à- dire la zone par laquelle le rayonnement solaire passe jusqu'au capteur lui-même.
La surface de l’absorbeur (également appelée surface effective du collecteur) correspond à la surface du panneau absorbant lui-même. Voir les figures 1.4 et figure 1.5


Figure 1.4


Figure 1.5
Les collecteurs non vitrés sont les plus simples. Ils ne contiennent pas de verre ni de boîtier de collection isolé, ils se composent donc uniquement de matériau absorbant. Les collecteurs non vitrés peuvent être trouvés dans divers domaines d'application, mais sont principalement utilisés pour chauffer l'eau des piscines. On les trouve parfois également sous forme d'absorbeur en acier inoxydable à revêtement sélectif pour le chauffage de l'eau domestique. Ce type de capteur a des performances inférieures à celles d'un capteur en verre plat car il ne possède pas de couverture en verre, de boîtier ou d'isolant thermique. Ils ont donc des pertes de chaleur plus élevées et ne peuvent être utilisés qu'à des températures de fonctionnement très basses, mais en raison de la simplicité de leur construction, ils sont peu coûteux.
Capteurs solaires plats en verre
Conception
La plupart des capteurs solaires plats en verre disponibles sur le marché sont composés d'un absorbeur thermique métallique dans un boîtier rectangulaire plat. Le capteur est thermiquement isolé sur son dos et ses bords et est équipé d'un couvercle transparent sur la surface supérieure. Deux raccords de tuyaux sont fournis pour l'entrée et la sortie du fluide caloporteur, généralement du côté du capteur. Voir la figure 1.6.


Figure 1.6
Absorbeur
La pièce maîtresse d'un collecteur solaire plat vitré est l'absorbeur. Celui-ci est composé d’une feuille métallique conductrice de chaleur (en cuivre ou en aluminium par exemple, en surface unique ou en bandes) avec un revêtement sombre. Les tubes du fluide caloporteur, généralement en cuivre, sont connectés de manière conductrice à l'absorbeur. Lorsque le rayonnement solaire frappe l'absorbeur, il est principalement absorbé et partiellement réfléchi. La chaleur est créée par l'absorption et conduite dans la feuille métallique vers les tubes ou canaux du fluide caloporteur. À travers ces tubes circule le fluide caloporteur liquide, qui absorbe la chaleur et la transporte vers le stockage. Une variante est l’absorbeur en nappe, qui permet un flux complet sur toute la surface.
La fonction d'un collecteur solaire est d’obtenir le rendement thermique le plus élevé possible. L’absorbeur est donc doté d'une capacité d'absorption de la lumière élevée et d'une émissivité thermique minimale. Cela est réalisé en utilisant un revêtement sélectif spectral. Contrairement à la peinture noire, celui-ci présente une structure multicouche qui optimise la conversion du rayonnement solaire à ondes courtes en chaleur tout en maintenant aussi bas que possible le rayonnement thermique. Voir la Figure 1.6.


Figure 1.7
La plupart des couches ont un taux d'absorption de 90 à 95 % et un taux d'émission de 5 à 15 %. Les revêtements sélectifs couramment utilisés sont constitués de chrome noir ou de nickel noir. Cependant, les derniers développements en matière de revêtements sélectifs présentant des caractéristiques optiques améliorées actuellement proposés sur le marché ont été appliqués soit par procédé sous vide, soit par pulvérisation cathodique. Ces procédés se caractérisent par une consommation d'énergie nettement inférieure et une charge environnementale moindre lors de la fabrication par rapport aux revêtements de nickel noir et de chrome noir, qui sont généralement appliqués par galvanoplastie. De plus, le gain d'énergie de ces absorbeurs est plus élevé à des températures plus élevées ou à de faibles niveaux d'irradiation solaire que celui des absorbeurs dotés de revêtements en chrome noir ou en nickel noir.
Rayonnement et interaction avec la matière
Lorsque la lumière du soleil à courte longueur d'onde (longueur d'onde de 0,3 à 3,0 µm) frappe un objet, tel qu'une couverture solaire, elle est réfléchie plus ou moins fortement selon la structure de la surface (matériau, rugosité et couleur). Les surfaces blanches réfléchissent beaucoup plus que les surfaces sombres. La proportion de rayonnement réfléchi (en particulier pour les vitres) dépend également de l'angle d'incidence du rayonnement. La partie restante est absorbée par l'objet ou, pour les matériaux translucides, est partiellement transmise. Enfin, la partie absorbée est convertie en rayonnement thermique de longue longueur d'onde (longueurs d'onde de 3,0 à 30 µm) et émise en fonction de la structure de la surface. Ces processus sont décrits physiquement par les degrés de réflexion, d'absorption, de transmission et d'émissivité d'un corps. Afin de réduire les émissions et donc d'augmenter l'efficacité des collecteurs, de nouveaux revêtements absorbants sont développés en permanence.
En tant que matériau pour la plaque absorbante, le cuivre possède la bonne conductivité thermique requise. La transmission thermique entre la plaque absorbante et le tube se fait à travers la meilleure connexion thermique possible.
Un autre facteur pour un rendement énergétique élevé est une faible capacité thermique, ce qui permet une réaction rapide au niveau toujours changeant du rayonnement solaire. Pour les absorbeurs avec des canaux de circulation, cette capacité est plus faible que pour les absorbeurs à circulation sur toute la surface.
Isolation
Pour réduire les pertes de chaleur vers l'environnement par conduction thermique, le dos et les bords du collecteur sont thermiquement isolés.
Étant donné que des températures maximales de 150 à 200°C sont possibles, une isolation en fibre minérale est la plus adaptée ici. Il est nécessaire de tenir compte de l'adhésif utilisé. Celui-ci ne doit pas se vaporiser aux températures indiquées, sinon il pourrait se déposer sur la vitre et altérer sa capacité de transmission de la lumière.
Certains collecteurs sont équipés d'une barrière pour réduire les pertes par convection. Cela prend la forme d'un film en plastique, entre l’absorbeur et la vitre. Dans certains pays, des collecteurs sont proposés avec une isolation thermique translucide sous le panneau en verre.
Le dispositif d'absorption et d'isolation thermique est installé dans un boîtier et est entouré par le dessus d'un matériau transparent pour la lumière pour la protection et pour réaliser ce qu'on appelle l'effet de serre. Le verre ou le plastique sont parfois utilisés comme couverture. Le verre à faible teneur en fer (qui est très transparent) est principalement utilisé, sous forme de verre de sécurité d'une épaisseur de 3 à 4 mm Le coefficient de transmission de la lumière est au maximum de 91%.
Les pertes thermiques dépendent de la différence de température entre l’absorbeur et l'air extérieur, de l'ensoleillement et de la construction du capteur. À mesure que la différence de température entre l’absorbeur et l’air extérieur augmente, les pertes de chaleur augmentent pour un rayonnement solaire constant, de sorte que l'efficacité diminue. Il est donc important, pour le rendement d'une installation solaire thermique, de garantir une faible température de retour et un rayonnement solaire élevé.
Avantages et inconvénients d’un collecteur plat vitré
Avantage :
Il est moins cher qu'un collecteur sous vide .
Il offre de multiples options de montage (en toiture, intégré au toit, montage en façade et installation gratuite).
Il a un bon rapport qualité/prix.
Il offre de bonnes possibilités de montage à faire soi-même (kits de construction de collecteurs).
Désavantage :
Son efficacité est inférieure à celle des capteurs sous vide.

Un système de support est nécessaire pour le montage sur toit plat (avec ancrage ou contrepoids).
Il ne convient pas pour générer des températures plus élevées, quand cela est nécessaire par exemple pour la production de vapeur, ou pour l'alimentation en chaleur des machines frigorifiques à absorption.
Collecteurs sous vide
Collecteurs à tubes sous vide
Pour réduire les pertes thermiques dans un collecteur, les cylindres en verre (avec absorbeurs internes) sont évacués de la même manière que les thermos (Figure 1.8). Afin de supprimer complètement les pertes thermiques par convection, le volume enfermé dans les tubes de verre doit être évacué à moins de 10 bar. Même avec une température d'absorbeur de 120°C ou plus, le tube de verre reste froid à l'extérieur.


Figure 1.8 :
Fonctionnement
Pour les capteurs à tube sous vide, l’absorbeur est installé sous forme de bandes métalliques plates ou voûtées vers le haut, ou sous forme de revêtement appliqué sur une ampoule de verre interne dans un tube de verre sous vide. Les forces résultantes du vide dans le tube sont très facilement absorbées par la haute résistance à la compression de la forme tubulaire.
Un collecteur à tubes sous vide se compose d'un certain nombre de tubes reliés entre eux et reliés en haut par un distributeur ou une boîte collectrice isolée, dans lequel passent les conduites d'alimentation ou de retour. A la base, les tubes sont montés sur un rail avec des supports de tubes. Il existe deux principaux types de collecteurs à tubes sous vide : le type à circulation directe et le type à caloduc.
Collecteur à tubes sous vide à circulation directe
Dans cette conception (Figure 1.9), le fluide caloporteur est soit acheminé via un système tube dans tube (tube coaxial) jusqu'à la base de l'ampoule en verre, où il reflue dans le flux de retour et absorbe ainsi la chaleur de l’absorbeur, ou il s'écoule à travers un tube en forme de U.


Figure 1.9
Les capteurs à tubes sous vide à circulation directe peuvent être orientés vers le sud, mais ils peuvent également être montés horizontalement sur un toit plat.
Un modèle particulier de collecteur à tubes sous vide à écoulement direct commercialisé dans certains pays est le collecteur Sydney (Figure 1.10). Le tube collecteur est constitué d'un double tube scellé sous vide. L'ampoule en verre intérieure est dotée d'un revêtement sélectif d'un composé métallique de carbone sur une base de cuivre. Dans ce double tube sous vide est enfichée une plaque conductrice thermique en liaison avec un tube en U auquel la chaleur est transférée. Plusieurs tubes sont regroupés en un seul module. Pour augmenter le gain de rayonnement, le capteur est équipé de réflecteurs externes dans la version à toit incliné. La version à toit plat nécessite un fond clair tel que du gravier ou une feuille réfléchissante, car elle ne possède pas de réflecteurs.


Figure 1.10
Collecteurs à tubes sous vide à caloducs
Dans ce type de collecteur, une bande absorbante à revêtement sélectif, liée métalliquement à un caloduc, est branchée dans le tube de verre sous vide. Le caloduc est rempli d’alcool ou d’eau sous vide, qui s’évapore à des températures aussi basses que 25°C. La vapeur ainsi formée monte vers le haut. À l'extrémité supérieure du caloduc, la chaleur dégagée par la condensation de la vapeur est transférée via un échangeur de chaleur (condenseur) au fluide caloporteur lors de son passage. Le condensat redescend dans le caloduc pour reprendre la chaleur. Pour un bon fonctionnement des tubes, ceux-ci doivent être installés avec une pente minimale de 25°.
Les capteurs à tubes sous vide à caloducs sont proposés en deux versions, une avec un raccordement sec et une avec un raccordement humide. Pour le type sec (Figure 1.11), le condenseur entoure complètement le capteur et assure une bonne liaison thermique avec un échangeur thermique à double tube : le transfert de chaleur s’effectue du condenseur via la paroi du tube vers le fluide caloporteur. Cela permet d'échanger les tubes défectueux sans vider le circuit solaire.


Figure 1.11
Pour le raccordement humide (Figure 1.12), le condenseur est immergé dans le fluide caloporteur. Si les tubes doivent être échangés, il est nécessaire de vider au moins le dispositif de collecte en haut.
Le fabricant britannique Thermo max a conçu un système de limitation de température de stagnation, dans lequel un ressort à mémoire de forme est utilisé pour fermer le condenseur à partir d’une température de 130°C et ainsi découpler thermiquement le système du dispositif de collecte.


Figure 1.12
Avantages et inconvénients
Avantages
Il atteint un rendement élevé même avec de grandes différences de température entre l’absorbeur et l'environnement.
Il atteint un rendement élevé avec un faible rayonnement
Il prend en charge les applications de chauffage des locaux plus efficacement que les plaques plates vitrées.
Il atteint des températures élevées, par exemple pour la production de vapeur ou la climatisation
Grâce à son faible poids, il peut être facilement transporté vers n'importe quel lieu d'installation : parfois le capteur est assemblé sur le lieu d'installation.
En tournant les bandes absorbantes (en usine ou lors du montage), elles peuvent être orientées vers le soleil (uniquement pertinent pour certains produits).
Sous forme de tubes à flux direct, il peut être monté horizontalement sur un toit plat, offrant ainsi moins de charge de vent et des coûts d'installation réduits. De cette manière, la pénétration dans la peau du toit est évitée.
Inconvénients :
Il est plus cher qu'un capteur plan vitré.
Il ne peut pas être utilisé pour une installation en toiture.
Il ne peut pas être utilisé pour une installation horizontale pour les systèmes à caloducs (l'inclinaison doit être d'au moins 25°).
Comparaison entre collecteurs solaires plans en verre et sous vide :
Les capteurs solaires plans
Construction : Un panneau plat avec une surface absorbante couverte de verre ou de plastique transparent.
Efficacité : Efficacité moyenne, diminuant en fonction des variations d'intensité solaire et de température ambiante.
Température de Fonctionnement : Moins efficace pour les applications nécessitant des températures élevées.
Coût : Généralement moins coûteux à l'achat et à l'installation.
Maintenance : Relativement simple, mais le verre doit être nettoyé régulièrement pour maintenir l'efficacité.
Performance : Efficacité variable au cours de la journée, augmentant lentement jusqu'à l'après-midi, puis diminuant en soirée.
Capteurs Solaires à Tubes Sous Vide :
Construction : Composé de tubes en verre sous vide, chaque tube agissant comme un petit collecteur individuel.
Efficacité : Plus élevé, surtout dans des conditions de faible intensité solaire ou de températures ambiantes froides.
Température de Fonctionnement : Plus efficace pour les applications à haute température en raison de la meilleure isolation thermique.
Coût : Plus coûteux à l'achat, mais peut offrir des économies d'énergie plus importantes sur le long terme.
Maintenance : Nécessite un entretien périodique des tubes, mais les tubes défectueux peuvent être remplacés individuellement.
Performance : Efficacité plus constante tout au long de la journée, même avec des variations d'intensité solaire, atteignant souvent des performances maximales en soirée.
Collecteur hybride (Capteur PVT)
Un capteur PVT (Photovoltaïque-Thermique) est un type de dispositif hybride qui combine les technologies des panneaux solaires photovoltaïques (PV) et des capteurs solaires thermiques (T). Ces systèmes sont conçus pour optimiser l'utilisation de l'énergie solaire en produisant simultanément de l'électricité et de la chaleur. Ce type de capteur est celui choisi dans notre étude. Plusieurs configurations de capteur hybride sont disponibles peut être divisé dans les catégories suivantes :
a) Capteur hybride PVT à eau.
b) Capteur hybride PVT à air


Figure 1.14 : Capteurs hybrides PVT (a-PVT à eau, b-PVT à air) [**]
Fonctionnement d'un Capteur PVT
Un capteur hybride est une combinaison d’un capteur plat à vitrage thermique et de cellules solaires qui convertissent la lumière du soleil en énergie électrique. La chaleur dégagée est utilisée, par exemple, pour chauffer l’eau sanitaire. Les cellules solaires sont électriquement isolées sur la surface d'un absorbeur refroidi par liquide avec lequel elles sont reliées par conduction thermique. Les rendements électriques sont dans la même gamme que ceux des systèmes photovoltaïques conventionnels, et les rendements thermiques sont dans la gamme des capteurs sans absorbeurs à revêtement sélectif. Ces collecteurs sont encore en cours de développement.
Composants Photovoltaïques (PV) : La partie photovoltaïque du capteur convertit la lumière du soleil en électricité grâce à des cellules solaires, généralement en silicium.
Composants Thermiques (T) : La partie thermique capture la chaleur solaire, souvent à l'aide de tubes ou de plaques conductrices placées derrière les cellules PV, et la transfère à un fluide caloporteur (eau ou air).
Avantages et inconvénients des Capteurs PVT
Avantage :
Double utilisation de l'énergie solaire : les capteurs PVT maximisent l'utilisation de l'énergie solaire en produisant à la fois de l'électricité et de la chaleur, augmentant ainsi l'efficacité globale du système.
Réduction des coûts et de l'espace : en combinant les deux technologies en un seul système, les capteurs PVT permettent de réduire l'espace requis et les coûts d'installation par rapport à l'installation séparée de panneaux PV et de capteurs thermiques.
Refroidissement des cellules PV : La partie thermique peut aider à refroidir les cellules photovoltaïques, améliorant ainsi leur efficacité, car les cellules PV fonctionnent mieux à des températures plus basses.
Applications multiples : Les capteurs PVT peuvent être utilisés pour des applications résidentielles, commerciales et industrielles, fournissant de l'électricité, de l'eau chaude sanitaire, du chauffage de l'air ou même du chauffage de piscines.
Inconvénient :
Complexité : Les systèmes PVT sont plus complexes à concevoir et à installer que les systèmes PV ou thermiques autonomes.
Coût initial : Le coût initial peut être plus élevé en raison de la technologie hybride et de la nécessité de composants supplémentaires pour gérer à la fois l'électricité et la chaleur.
Maintenance : Les systèmes PVT peuvent nécessiter une maintenance plus fréquente en raison de la combinaison de deux technologies différentes.
Matériel de stockage (Accumulateurs d'eau chaude sanitaire)
Les réservoirs d’eau non ventilés sont proposés en acier inoxydable, en acier émaillé ou plastifié ou en cuivre. Les réservoirs en acier inoxydable sont relativement légers et ne nécessitent aucun entretien, mais nettement plus chers que les réservoirs en acier émaillé. De plus, l’acier inoxydable est plus sensible à l’eau à forte teneur en chlorure. Les réservoirs émaillés doivent être équipés d'une anode en magnésium ou galvanique externe pour des raisons de protection contre la corrosion (vides ou microfissures dans l'émail). Des réservoirs en acier plastifiés moins chers sont également proposés. Leur revêtement doit être exempt de pores et ils sont sensibles aux températures supérieures à 80°C. Les réservoirs en plastique ventilés sont également sensibles aux températures plus élevées. Au Royaume-UK Le matériau prédominant utilisé pour les réservoirs est le cuivre. Les avantages du cuivre sont sa légèreté et la facilité de le fabriquer en différentes dimensions.
La figure 1.13 montre un exemple de réservoir solaire non ventilé, souvent utilisé. Il présente les caractéristiques suivantes :
Deux échangeurs de chaleur pour deux sources de chaleur (bivalents) : un échangeur de chaleur solaire et un échangeur de chaleur supplémentaire pour une chaudière de chauffage
Raccordement direct au réseau d'eau froid
Uni : 150-2001
Allemagne : 300-500 1 sur le segment des maisons unifamiliales et bi familiales
États-Unis : 50-100 gal (environ 200-400 1)
Australie : 300-400 1 pour 3-4 personnes.


Figure 1.13
Liquide caloporteur
Le liquide caloporteur est le liquide qui transporte la chaleur produite dans le capteur vers le réservoir de stockage. L'eau est pour cela le milieu le plus approprié car elle possède de très bonnes propriétés.
Haute capacité thermique
Conductivité thermique élevée
Faible viscosité,
De plus, l’eau l’est.
Incombustible
non toxique
Bon marché.
Comme les températures de fonctionnement des capteurs peuvent être comprises entre -15°C et +350°C, si nous utilisons de l'eau seulement comme fluide caloporteur, nous aurons des problèmes de gel et d'évaporation. En effet, l'eau gèle (à 0°C), et s’évapore (à 100°C).
L'ajout de 40 % de propylène glycol, actuellement majoritairement utilisé, permet d'obtenir une protection contre le gel jusqu'à -23 °C ainsi qu'une augmentation du point d'ébullition jusqu'à 150°C ou plus, selon la pression.
L'eau est très corrosive. Ceci est encore augmenté par le propylène glycol. C'est pour cette raison que toute une gamme d'inhibiteurs est utilisée, chaque inhibiteur offrant une protection contre la corrosion pour un matériau spécifique.
Outre une capacité thermique et une conductivité suffisamment élevées ainsi qu'une bonne protection contre le gel et la corrosion, une autre exigence du liquide solaire est sa biodégradabilité. Il doit être non toxique et non irritant. À l'heure actuelle, toutes les exigences indiquées sont mieux remplies par un mélange eau-glycol avec des inhibiteurs liquides.
Conclusion
Les capteurs solaires plans sont généralement préférés pour des applications résidentielles ou commerciales avec des besoins modérés en eau chaude et dans des climats plus chauds. Les capteurs à tubes sous vide sont plus adaptés pour des climats froids, des besoins en eau chaude plus élevés, et des applications industrielles en raison de leur meilleure performance à des températures plus élevées et sous des conditions de faible intensité solaire.
Les capteurs PVT représentent une solution innovante et efficace pour tirer le meilleur parti de l'énergie solaire, en produisant simultanément de l'électricité et de la chaleur. Ils sont particulièrement avantageux dans les situations où l'espace est limité et où les deux formes d'énergie sont nécessaires.


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