Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Capteurs solaires thermiques

Introduction

La conversion thermique de l'énergie solaire consiste à intercepter les photons incidents sur un matériau absorbant, dont la température s'échauffe.

Plusieurs modes de captation sont envisageables :

  • l'habitat solaire passif : pour les applications au chauffage et à la climatisation des locaux, il est possible de concevoir l'architecture des bâtiments de telle sorte qu'ils optimisent naturellement ou « passivement » l'utilisation de la ressource solaire, sans faire appel à des fluides caloporteurs autres que l'air et à des dispositifs annexes de captation et de stockage. L'intérêt de la conception solaire passive des bâtiments est qu'elle peut conduire à des économies de chauffage substantielles avec des surcoûts faibles ;

  • les capteurs plans utilisent généralement l'effet de serre pour limiter les déperditions thermiques de l'absorbeur. En effet, le verre est transparent pour le rayonnement visible, et laisse donc passer l'énergie solaire incidente, mais opaque pour le rayonnement infrarouge, ce qui a pour effet de piéger les calories absorbées.

  • les capteurs à concentration : pour atteindre des températures supérieures à environ 120 °C, il est nécessaire de concentrer les rayons solaires par des jeux appropriés d'éléments réfléchissants (miroirs) ou de lentilles (généralement de Fresnel). La contrainte principale, outre le coût plus élevé des dispositifs, est le système de poursuite destiné à suivre le soleil dans sa course. Toute une série de concentrateurs a été proposée et développée ;

  • la conversion thermodynamique de l'énergie solaire permet d'obtenir de l'électricité à partir d'un moteur thermique dont la source chaude reçoit sa chaleur de capteurs, généralement à concentration. Toutefois, les coûts de cette filière et les difficultés technologiques rencontrées limitent aujourd'hui son champ d'application.

Capteurs plans

Selon les technologies employées, les températures de fonctionnement des capteurs plans varient de 40 °C à 120 °C (capteurs sous vide). La figure ci-dessous montre la vue en coupe d'un capteur plan. L'absorbeur est composé d'une plaque métallique sur laquelle sont soudées des canalisations dans lesquelles circule le fluide caloporteur. Les déperditions thermiques vers la face avant du capteur sont réduites par un ou plusieurs vitrages (2 sur la figure) et celles vers l'arrière par un isolant ;

Les capteurs sous vide sont une solution aujourd'hui sérieusement envisagée (figure ci-dessous). Ces capteurs sont généralement composés de modules comprenant une épingle en U de petit diamètre (de l'ordre du cm) munie d'ailettes et insérée dans un tube en verre de grand diamètre (de l'ordre du dm). Le fluide caloporteur circule à l'intérieur de l'épingle. De tels modules sont mis parallèle pour constituer des capteurs plans. Leur température de fonctionnement est de l'ordre de 100 à 120 °C.

Capteur sous vide

Capteurs à concentration

L'expérience des trente dernières années montre que quatre principales technologies permettent en pratique de réaliser la concentration du rayonnement solaire dans des conditions techniques et économiques viables :

  • les capteurs cylindro-paraboliques ;

  • les concentrateurs à lentilles de Fresnel ;

  • les capteurs paraboliques ;

  • les centrales à tour.

Les premières technologies ne nécessitent de suivre le mouvement du soleil que selon une seule direction, mais la concentration, et donc la température de captation, sont plus faibles (400 °C). Les deux autres nécessitent un double mouvement de poursuite, mais permettent d'atteindre des températures beaucoup plus élevées (750 – 1000 °C).

Les capteurs cylindro-paraboliques (concentration C ≈ 40-80, figure ci-dessous) sont des cylindres de section droite parabolique, qui permettent de concentrer le rayonnement solaire sur un tube rectiligne. La concentration est de l'ordre de 40.

Les concentrateurs linéaires de Fresnel ou CLFR (C ≈ 30, figures ci-dessous) utilisent d'étroits miroirs plans rectangulaires pour concentrer la lumière solaire sur un absorbeur fixe constitué d'une série de tubes parallèles. La concentration est de l'ordre de 30.

Dans les capteurs paraboliques (C ≈ 1000-2500, figure ci-dessous), le réflecteur est un paraboloïde de révolution.

Cette technologie nécessite un double mouvement de poursuite du soleil, mais permet d'atteindre des températures beaucoup plus élevées (750 à 1000 °C), la concentration pouvant atteindre 100 à 2500.

Dans les centrales à tour (C ≈ 200-700, figure ci-dessous), des milliers de réflecteurs mobiles, appelés héliostats, redirigent le rayonnement solaire incident vers un absorbeur situé au sommet d'une tour, permettant ainsi d'obtenir à la fois de fortes concentrations et des puissances importantes.

Dans les centrales à tour, des milliers de réflecteurs mobiles, appelés héliostats, redirigent le rayonnement solaire incident vers un absorbeur situé au sommet d'une tour, permettant ainsi d'obtenir à la fois de fortes concentrations, de 200 à 700, et des puissances importantes (figure ci-dessous).

Cette technologie nécessite un double mouvement de poursuite du soleil pour chaque héliostat, mais permet elle aussi d'atteindre des températures très élevées (750 à 1000 °C).

La photo ci-dessous donne un aperçu de quelques héliostats vus de près.

Modèles de capteurs solaires

Des modèles de capteurs solaires ont été établis dans Thermoptim sous forme de classes externes, afin de pouvoir étudier des centrales électrosolaires. Ces modèles utilisent trois paramètres :

  • l'efficacité optique du capteur tau

  • deux coefficients d'échange thermiques U0 et U1 rapportés à la surface Sc du capteur

Bien évidemment, la puissance produite est proportionnelle à la surface de captation

Le bilan enthalpique du capteur est donné par ces équations, où I est la puissance solaire incidente, Tm la température du capteur et Text la température extérieure.

U = U0 + U1 (Tm - Text)

En divisant la chaleur collectée par le produit de la surface du capteur par l'ensoleillement reçu I, on peut exprimer le rendement sous forme de cette équation.

A titre d'exemple, ce tableau donne des valeurs de coefficients valables pour quatre catégories de capteurs : deux types de cylindro-paraboliques Luz, un concentrateur parabolique et un capteur à lentille de Fresnel linéaire.

Paramètres de capteurs à concentration

Cette figure montre l'influence de l'écart de température entre le fluide caloporteur et l'ambiante sur les performances des capteurs.

Rendements de capteurs

Compléments

Modèle de capteur solaire

Un modèle de capteur solaire est disponible dans la modélothèque de Thermoptim.

Guides méthodologiques

Les systèmes à énergie solaire présentent la particularité de devoir s'adapter à une ressource énergétique fluctuante, ce qui implique des méthodologies de calcul particulières.

Fiches-guides

Une fiche-guide vous propose la modélisation d'une centrale solaire du type SEGS, et une autre la génération d'électricité à partir d'un étang solaire à gradient inverse.

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