Capteurs solaires
Les valeurs de rayonnement mentionnées plus haut dans l’introduction ne peuvent bien sûr pas être entièrement utilisées par un collecteur. Il y a plusieurs raisons qui contribuent au fait qu’une partie de l’énergie rayonnée n’est pas transférée au fluide caloporteur :
- Réflexion partielle sur le verre de couverture (environ 8 %), sauf pour les collecteurs non couverts
- Absorption incomplète au niveau du collecteur, selon le revêtement : moins 4-10%
- Refroidissement imparfait de l’absorbeur, facteur « F » : moins 3-10%
- Émission de rayonnement thermique, dépendant du traitement et de la température
- Pertes thermiques dues à la conduction et à la convection de la chaleur, pertes dépendant de la température
L’efficacité d’un capteur dépend fortement de l’importance de la différence entre la température moyenne du capteur et la température extérieure. Si celle-ci est très importante (par exemple 80 °C), il faut s’attendre à des pertes importantes par rayonnement thermique et par convection. Cependant, avec de petites différences de température, des rendements allant jusqu’à 90 % peuvent être atteints. Si la température du collecteur est inférieure à la température extérieure en raison du fluide froid, des rendements « supérieurs à 100 % » peuvent même être obtenus. Le fluide caloporteur est alors non seulement chauffé par le soleil, mais aussi par la chaleur extérieure.
Une distinction est faite entre trois types de collecteurs différents. En fonction de l’application, l’un ou l’autre des collecteurs est plus approprié.
Capteus non vitrés : Conception de collecteurs plats, non couverts. Les capteurs non vitrés sont idéaux pour le chauffage des piscines et certaines applications de préchauffage de l’eau. Dans les zones où le vent est fort, il faut s’attendre à des pertes convectives encore plus importantes. D’autre part, les capteurs non vitrés sont rentables et ne provoquent pas de reflets (ce qui est souvent invoqué comme motif d’objection aux capteurs vitrés).
Capteurs vitrés: Ce sont les capteurs les plus couramment utilisés. Ils conviennent pour le préchauffage de l’eau, la production d’eau chaude sanitaire ainsi que pour le soutien au chauffage. En termes de prix, ils sont un peu plus chers que les collecteurs non couverts. En raison de leur bonne isolation thermique, ils conviennent également à une installation en façade.
Capteurs à tubes (sous vide) :Particulièrement adapté à la production d’eau chaude sanitaire et dans les zones où les températures extérieures sont plutôt basses (ou lorsqu’il y a un rayonnement solaire important en hiver). Ils reposent sur l’idée de base que l’ailette absorbante d’un tube sous vide ne perd de l’énergie que par rayonnement thermique. En outre, le comportement de réflexion de la lumière et la géométrie du tube de verre font que la lumière incidente oblique atteint mieux l’absorbeur qu’avec les capteurs plats. Dans l’ensemble, cependant, les capteurs à tubes sont les plus chers et ne conviennent pas aussi bien à certaines applications que les capteurs plats.
Outre les propriétés thermiques du capteur, les propriétés géométriques et optiques déterminent également ses performances. D’une part, le rayonnement effectif est plus petit à des angles de rayonnement plus faibles (lorsque la surface du capteur est rayonnée « obliquement du côté). Deuxièmement, plus l’angle de réflexion est plat, plus le verre de couverture réfléchit la lumière. Cette propriété dépendant de l’angle est appelée IAM (Facteur d’angle, « incident angle modifier » en anglais).
Il est tout à fait possible que la courbe d’efficacité d’un capteur soit plus élevée que celle d’un autre, mais qu’il produise un rendement annuel inférieur en raison de son comportement réfléchissant. Par conséquent, l’IAM est tout aussi important pour la description d’un collecteur que l’efficacité elle-même.
Pour un capteur plan, selon les dimensions, il n’y a pas de grande différence entre la mesure de l’angle selon l’axe longitudinal ou transversal, à condition que le verre ne soit pas particulièrement structuré ou que le capteur ait une forme allongée.
Le phénomène physique de cette réflexion et de l’ombrage des bords est bien compris. Elle peut être décrite par la fonction d’Ambrosetti \(K(\theta) = \ \ 1 – {(\tan{(\frac{\theta}{2}))}}^{a}\) avec un seul paramètre. Le comportement de réflexion à un angle de 50° est souvent utilisé à cette fin. À cet angle, l’efficacité peut encore être déterminée expérimentalement avec une grande précision et l’effet de l’angle peut être déterminé suffisamment bien.
Avec les collecteurs à tubes, les deux courbes IAM sont différentes. Dans la direction transversale, le rayonnement énergétique diminue moins que prévu en raison des propriétés réfléchissantes des tubes de verre et du raccourcissement en perspective de la surface du collecteur. Cependant, à partir d’un certain point, l’IAM diminue considérablement en raison d’obscurcissements mutuels des tubes.
La direction longitudinale est également déterminée avec la fonction Ambrosetti et un point de mesure à 50° d’inclinaison par rapport à la normale. Pour la direction transversale, en fonction de la géométrie du collecteur, plusieurs points de mesure sont nécessaires, qui sont reliés à l’aide d’une spline cubique. Les conditions aux extrémités de la spline, (dérivées première et seconde), se comportent selon une réflexion sur l’axe z θ=0°. Toutes les valeurs IAM entre le longitudinal et le transversal sont approximées par la forme familière de la fonction McIntire \(K\left( \theta_{l},\theta_{t} \right) = K\left( \theta_{l},0 \right) \cdot K(0,\theta_{t})\). Une autre forme de l’équation ressemble à ceci: \(K(\theta,\varphi) = K\left( \theta_{l},0{^\circ} \right) \cdot {\cos(\varphi)}^{2} + K(\theta_{t},90{^\circ}) \cdot {\sin{(\varphi)}}^{2}\). Toutefois, il est également possible d’insérer des tableaux IAM déterminés spécifiquement à partir de mesures ou de simulations.