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Le fonctionnement du capteur solaire thermique

Le capteur solaire est le principal composant du solaire thermique qui convertit le rayonnement solaire en chaleur. Découvrez le fonctionnement et les différents types

Le solaire thermique est un système qui exploite l’énergie solaire pour produire de la chaleur. Au cœur de ce mécanisme se trouve un capteur solaire qui absorbe l’énergie solaire sous forme de chaleur et la transmet à un fluide, lequel la transfère à l’eau sanitaire. Le capteur solaire thermique est le composant principal d’un système solaire thermique et comme les autres composants, il doit également être dimensionné en fonction des besoins : une conception sur mesure est nécessaire.

Pour cette opération, il est bien sûr nécessaire d’utiliser un logiciel de conception de capteurs solaires thermiques capable de vous accompagner dans la phase de conception et de dimensionnement d’un système solaire thermique à circulation forcée, à simple ou double réservoir.

Capteur solaire : qu’est-ce que c’est?

Le capteur solaire est le terme technique utilisé pour désigner les panneaux solaires. Il est le composant clé d’un système solaire thermique qui permet de convertir le rayonnement solaire en énergie thermique, laquelle peut être stockée et utilisée ultérieurement. L’eau chaude produite de cette manière est utilisée pour des besoins sanitaires ou pour le chauffage des environnements.

Comment fonctionne un capteur solaire?

Le capteur solaire est composé d’un absorbeur, généralement fabriqué avec des matériaux à haute conductivité thermique tels que le cuivre. Ce composant est conçu pour capturer la chaleur des rayons solaires et la transférer au réservoir d’eau.

Le fonctionnement d’un capteur solaire peut être comparé à celui d’une serre. Lorsque les rayons solaires frappent la surface en verre, une petite partie est réfléchie, tandis que le reste passe à travers le verre et est absorbé par une plaque captante de couleur noire.

Cette plaque, en chauffant, émet de l’énergie sous forme de rayonnement infrarouge. Comme le verre se comporte comme étant opaque par rapport au rayonnement infrarouge, il retient la chaleur à l’intérieur du panneau (effet de serre), provoquant le réchauffement du fluide caloporteur. Ensuite, le liquide se déplace à travers un serpentin vers le réservoir en utilisant 2 types de circulation: naturelle ou forcée.

La principale différence entre le système à circulation forcée et celui à circulation naturelle réside dans l’utilisation ou non d’une pompe de circulation permettant au liquide de parcourir les tuyaux du capteur à l’accumulateur et inversement. Donc, dans le système à circulation naturelle, la circulation du liquide se fait naturellement, sans utiliser d’électricité, tandis que le système à circulation forcée utilise une pompe de circulation qui fait circuler le fluide caloporteur.

Différence entre panneau solaire thermique et panneau photovoltaïque

Les différences entre le panneau solaire thermique et le panneau solaire photovoltaïque sont souvent source de confusion. Les panneaux solaires thermiques convertissent l’énergie solaire en chaleur pour chauffer de l’eau, tandis que les panneaux photovoltaïques utilisent la même énergie solaire pour produire de l’électricité.

D’autres différences sont:

  • matériel: les panneaux photovoltaïques sont principalement composés de silicium, tandis que les panneaux solaires thermiques sont composés de métal (aluminium, cuivre, acier) et de verre;
  • efficacité: les panneaux solaires thermiques peuvent atteindre une efficacité allant jusqu’à 80%, tandis que les panneaux photovoltaïques ont généralement un rendement variant entre 17% et 25%, selon le type de panneau;
  • installation: alors qu’un seul panneau solaire thermique peut suffire pour chauffer l’eau sanitaire, les panneaux photovoltaïques nécessitent une plus grande taille pour obtenir des performances équivalentes en électricité. Tous deux nécessitent une orientation vers le sud, mais contrairement aux panneaux photovoltaïques qui nécessitent beaucoup d’espace, les panneaux solaires thermiques sont plus flexibles dans leur emplacement.

Capteur solaire thermique: types

Il existe 3 principaux types de capteurs solaires:

  • plans;
  • sous vide;
  • à concentration.

Les premiers peuvent être divisés en 2 catégories supplémentaires: plans vitrés et plans non vitrés.

Capteurs plans

Les panneaux plans sont les plus économiques et les plus courants, principalement utilisés pour la production d’eau chaude sanitaire, ils sont assez simples à installer et ne nécessitent pas d’entretien particulier. Ils ont un revêtement supérieur en verre, une structure environnante isolée et un absorbeur de chaleur interne qui réchauffe le fluide caloporteur circulant dans des tubes de cuivre.

Capteur sous vide

Les panneaux sous vide sont considérés comme des capteurs à haute efficacité, capables de fonctionner même à des températures extérieures très basses et avec un faible rayonnement solaire. Ils sont également plus coûteux que les panneaux plans et peuvent atteindre des températures élevées proches de 100 °C. Ils sont constitués d’une série de tubes en verre, à l’intérieur desquels se trouve un deuxième tube en verre avec un vide d’air qui agit comme isolant et réduit les pertes de chaleur. Il s’agit d’une technologie fiable, également adaptée à l’intégration avec un système de chauffage à panneaux rayonnants.

Capteur à concentration

Les capteurs solaires à concentration sont des collecteurs concaves conçus pour optimiser la concentration de l’énergie solaire en un point précis (foyer). Ils ne sont efficaces qu’avec une lumière solaire directe car ils doivent suivre le mouvement du soleil. Ce type de collecteur, pouvant atteindre des températures élevées comme 400-600 °C, est un choix logique pour les générateurs solaires ou les centrales électriques solaires.

Les principaux collecteurs sont au nombre de 4 et se distinguent par leur emplacement, leur forme et la position du foyer:

  • collecteur solaire parabolique linéaire à concentration: ayant une forme parabolique et étant montés en alignement les uns avec les autres. Un tube contenant le liquide caloporteur coule le long de leur centre focal, une fois chauffé, il converge vers les turbines connectées aux générateurs de courant. Ils sont équipés d’un système automatisé qui ajuste leur orientation pour suivre l’inclinaison des rayons solaires en fonction de l’heure;
  • collecteur linéaire à miroirs Fresnel: ils sont positionnés linéairement et tournent en fonction du soleil, ils ont une forme plate et non parabolique. Le point focal est donc déplacé vers le haut et le positionnement du liquide est surélevé par rapport au type précédent;
  • collecteur à miroirs paraboliques circulaires: ils sont indépendants et chacun a son propre récepteur placé au foyer, le point central de la parabole elle-même;
  • tour de puissance solaire: ce sont des miroirs indépendants caractérisés par la présence d’un seul point focal pour tous les panneaux. Ils s’orientent automatiquement vers le récepteur, situé sur une tour, où se trouve un réservoir contenant le liquide caloporteur qui sera chauffé.

Capteurs plans vitrés et plans non vitrés

Les capteurs vitrés sont principalement constitués d’une couverture en verre résistant conçue pour résister à des conditions climatiques adverses telles que la pluie, le vent, la grêle et les températures froides. Cette couverture sert également à filtrer les rayons solaires et à créer un effet de serre qui retient la chaleur. À l’intérieur, il y a une plaque captante isolée thermiquement en bas et enfermée latéralement dans un conteneur métallique ou en plastique.

La plaque captante peut être:

  • à surface non sélective: l’absorbeur de chaleur est simplement peint en noir, une couleur qui contribue à mieux capter et retenir les rayons solaires plus longtemps. Ce type de panneau est recommandé pour les résidences utilisées principalement pendant de courtes périodes estivales;
  • à surface sélective: l’absorbeur de chaleur est renforcé par une surface qui permet au panneau de mieux retenir la chaleur du soleil en réfléchissant à l’intérieur les rayons infrarouges qu’il émet, réduisant ainsi la réflexion. Ce type est possible grâce à une surface en verre qui permet le passage des rayons solaires mais réfléchit les rayons infrarouges provenant du collecteur. Bien que plus coûteux, ces panneaux sont beaucoup plus efficaces et permettent une utilisation la plupart de l’année.

Les capteurs non vitrés présentent un revêtement en matériau plastique. Ce sont des capteurs très économiques mais peu efficaces, adaptés uniquement à la saison estivale et aux zones avec un ensoleillement élevé. Par exemple, ils sont utilisés pour fournir de l’eau chaude sanitaire aux établissements et aux campings, ou pour chauffer l’eau d’une piscine découverte.

 

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