Capteurs solaires: types, principe de fonctionnement, conception du système

Pompes à chaleur puisez votre énergie dans le sol, l’eau ou l’air réchauffé par le soleil. Les chaudières utilisent la chaleur dégagée lors de la combustion du combustible, qui est également le produit de la conversion de l'énergie solaire au cours de la longue évolution de la Terre. Les capteurs solaires sont, dans un sens, uniques: ils reçoivent de l’énergie directement du soleil.

Pour pouvoir chauffer gratuitement l’eau chaude domestique ou chauffer votre maison demain, vous devez encore aujourd’hui dépenser de l’argent pour l’achat de capteurs solaires. Étant donné le coût considérable d'un tel équipement, il est très important de ne pas se tromper lors du choix. Vous devriez donc au moins avoir une idée générale des caractéristiques des capteurs solaires et des nuances de leur travail.

Les spécificités de l'utilisation de capteurs solaires

La caractéristique principale des capteurs solaires qui les distingue des autres types de générateurs de chaleur est la nature cyclique de leur travail. Pas de soleil - pas d'énergie thermique. De ce fait, ces installations sont passives la nuit.

La production journalière moyenne de chaleur dépend directement de la durée de la journée. Ce dernier est déterminé, d’une part, par la latitude géographique de la région et, d’autre part, par la période de l’année. En été, pendant lequel le maximum d'insolation tombe dans l'hémisphère nord, le collecteur fonctionnera avec une efficacité maximale. En hiver, sa productivité baisse pour atteindre un minimum en décembre-janvier.

En hiver, l'efficacité des capteurs solaires diminue non seulement en raison d'une diminution de la durée de la journée, mais également en raison d'un changement de l'angle d'incidence de la lumière solaire. Les fluctuations de la performance du capteur solaire au cours de l'année doivent être prises en compte dans le calcul de sa contribution au système de chauffage.

Les caractéristiques climatiques de la région sont un autre facteur susceptible d’affecter la productivité du capteur solaire. Dans notre pays, il existe de nombreux endroits où, pendant plus de 200 jours par an, le soleil est caché derrière une épaisse couche de nuages ​​ou derrière un voile de brouillard. Par temps nuageux, les performances du capteur solaire ne chutent pas à zéro car il est capable de capter la lumière du soleil, mais est considérablement réduit.

Le principe de fonctionnement et les types de capteurs solaires

Il est temps de dire quelques mots sur le dispositif et le principe de fonctionnement du capteur solaire. L'élément principal de sa conception est un adsorbeur, qui est une plaque de cuivre sur laquelle un tuyau est soudé. En absorbant la chaleur du soleil qui tombe sur elle, la plaque (et avec elle le tuyau) se réchauffe rapidement. Cette chaleur est transférée au liquide de refroidissement liquide circulant dans le tuyau, qui à son tour la transporte plus loin dans le système.

La capacité du corps physique à absorber ou à réfléchir les rayons du soleil dépend en premier lieu de la nature de sa surface. Par exemple, une surface de miroir reflète parfaitement la lumière et la chaleur, mais le noir absorbe au contraire. C’est pourquoi un revêtement noir est appliqué sur la plaque de cuivre de l’adsorbeur (l’option la plus simple est la peinture noire).

Le principe de fonctionnement du capteur solaire

Il est possible d'augmenter la quantité de chaleur reçue du soleil en sélectionnant correctement le verre recouvrant l'adsorbeur. Le verre ordinaire n'est pas assez transparent.En outre, il éblouit, réfléchissant une partie de la lumière du soleil qui tombe sur elle. En règle générale, dans les capteurs solaires, ils essaient d'utiliser un verre spécial à faible teneur en fer, ce qui augmente sa transparence. Pour réduire la fraction de lumière réfléchie par la surface, un revêtement antireflet est appliqué sur le verre. Et pour que la poussière et l'humidité, qui réduisent également le débit du verre, ne pénètrent pas dans le collecteur, le boîtier est scellé et parfois même rempli d'un gaz inerte.

En dépit de toutes ces astuces, l'efficacité des capteurs solaires est encore loin d'être de 100%, en raison de l'imperfection de leur conception. La plaque d'adsorption chauffée émet une partie de la chaleur reçue dans l'environnement, chauffant l'air en contact avec celui-ci. Afin de minimiser les pertes de chaleur, l'adsorbeur doit être isolé. La recherche d'une méthode efficace d'isolation thermique de l'adsorbeur a conduit les ingénieurs à créer plusieurs types de capteurs solaires, dont les plus courants sont les aspirateurs plats et tubulaires.

Capteurs solaires plats

Capteurs solaires plats.

La conception d'un capteur solaire plat est extrêmement simple: il s'agit d'un boîtier en métal recouvert de verre d'en haut. Pour l'isolation thermique du fond et des parois du corps, on utilise généralement de la laine minérale. Cette option est loin d'être idéale, car le transfert de chaleur de l'adsorbeur au verre par l'air à l'intérieur du conduit n'est pas exclu. Avec une grande différence de température à l'intérieur du capteur et à l'extérieur, la perte de chaleur est assez importante. En conséquence, un capteur solaire plat, qui fonctionne parfaitement au printemps et en été, devient extrêmement inefficace en hiver.

Capteur solaire plat

Capteurs solaires sous vide tubulaire

Capteurs solaires tubulaires sous vide.

Le capteur solaire à vide est un panneau constitué d’un grand nombre de tubes de verre relativement minces. À l'intérieur de chacun d'eux se trouve un adsorbeur. Pour exclure le transfert de chaleur par gaz (air), les tubes sont évacués. En raison du manque de gaz près des adsorbeurs, les capteurs à vide se caractérisent par une faible perte de chaleur, même par temps glacial.

Dispositif collecteur de vide

Applications pour capteurs solaires

L'objectif principal des capteurs solaires, ainsi que de tout autre générateur de chaleur, est de chauffer des bâtiments et de préparer de l'eau pour un système d'alimentation en eau chaude. Reste à savoir quel type de capteur solaire convient le mieux à une fonction particulière.

Nous avons constaté que les capteurs solaires plans se caractérisent par de bonnes performances au printemps et en été, mais sont inefficaces en hiver. Il s’ensuit qu’il n’est pas pratique de les utiliser pour le chauffage, ce qui est nécessaire dès le début du froid. Cela ne signifie toutefois pas qu'il n'y a aucune activité pour cet équipement.

Les capteurs plats ont un avantage indiscutable: ils sont nettement moins chers que les modèles à vide. Par conséquent, dans les cas où il est prévu d'utiliser l'énergie solaire exclusivement en été, il est judicieux de les acheter. Les capteurs solaires plats se prêtent parfaitement à la préparation de l’eau chaude en été. Encore plus souvent, ils sont utilisés pour chauffer à une température d'eau confortable dans les piscines extérieures.

Les collecteurs tubulaires à vide sont plus polyvalents. Avec l’avènement des rhumes d’hiver, leurs performances ne diminuent pas de façon aussi significative que dans le cas des modèles plats, ce qui signifie qu’ils peuvent être utilisés toute l’année.Cela permet d'utiliser de tels capteurs solaires non seulement pour l'alimentation en eau chaude, mais également dans le système de chauffage.

Comparaison de capteurs solaires plats et sous vide.

Localisation des capteurs solaires

L'efficacité du capteur solaire dépend directement de la quantité de lumière solaire qui tombe sur l'adsorbeur. Il s'ensuit que le collecteur doit être situé dans un espace ouvert où jamais (ou du moins aussi longtemps que possible) l'ombre des bâtiments voisins, des arbres situés près des montagnes, etc.

La localisation du capteur, mais aussi son orientation revêtent une grande importance. Le côté le plus «ensoleillé» de notre hémisphère nord est le côté sud, ce qui signifie que, dans l’idéal, les «miroirs» du collectionneur devraient être orientés exactement vers le sud. S'il est techniquement impossible de le faire, vous devez choisir la direction aussi proche que possible du sud-sud-ouest ou du sud-est.

Il ne faut pas ignorer un paramètre tel que l'angle d'inclinaison du capteur solaire. La magnitude de l'angle dépend de la déviation de la position du Soleil par rapport au zénith, elle-même déterminée par la latitude géographique de la zone dans laquelle l'équipement sera exploité. Si l'angle d'inclinaison n'est pas réglé correctement, la perte d'énergie optique augmentera considérablement, car une partie importante de la lumière solaire sera réfléchie par le verre du capteur et n'atteindra donc pas l'absorbeur.

Comment choisir le bon capteur solaire

Si vous souhaitez que le système de chauffage de votre maison vous permette de maintenir une température confortable dans les locaux et que de l'eau chaude plutôt que tiède s'écoule des robinets tout en prévoyant d'utiliser un capteur solaire en tant que générateur de chaleur, vous devez calculer au préalable la puissance nécessaire de l'équipement. Dans ce cas, un nombre assez important de paramètres devra être pris en compte, notamment la fonction du capteur (alimentation en eau chaude, chauffage ou une combinaison des deux), la demande de chaleur de l'objet (surface totale des pièces chauffées ou consommation quotidienne moyenne d'eau chaude), les caractéristiques climatiques de la région et les caractéristiques de l'installation du capteur.

En principe, faire de tels calculs n’est pas si difficile. Les performances de chaque modèle sont connues, ce qui signifie que vous pouvez facilement estimer le nombre de capteurs nécessaires pour fournir de la chaleur à la maison. Les entreprises qui produisent des capteurs solaires disposent d'informations (et peuvent les fournir au consommateur) sur l'évolution de la puissance des équipements en fonction de la latitude géographique de la zone, de l'angle d'inclinaison des «miroirs», de la déviation de leur orientation par rapport au sud, etc., ce qui vous permet d'apporter les modifications nécessaires. lors du calcul de la performance du réservoir.

Lors de la sélection de la puissance requise du capteur, il est très important de trouver un équilibre entre la pénurie et la chaleur excédentaire générée. Les experts recommandent de se concentrer sur la puissance maximale possible du capteur, c’est-à-dire, utilisez l’indicateur pour la saison estivale la plus productive dans les calculs. Cela contredit le souhait de l’utilisateur moyen de prendre un équipement avec une marge (c’est-à-dire de calculer la puissance du mois le plus froid) afin que la chaleur du collecteur soit suffisante les jours d’automne et d’hiver moins ensoleillés.

Cependant, si vous choisissez un capteur solaire à puissance accrue, vous obtiendrez un problème grave au plus fort de ses performances, c'est-à-dire par temps chaud et ensoleillé: vous produirez plus de chaleur que de consommation, ce qui menacerait le circuit de surchauffer et entraînerait d'autres conséquences désagréables. . Deux solutions s'offrent à vous pour résoudre ce problème: soit installer un capteur solaire de faible puissance et connecter en parallèle des sources de chaleur redondantes en parallèle, soit acheter un modèle disposant d'une grande réserve de marche et proposer des moyens de rejeter l'excès de chaleur pendant la saison printemps-été.

Stagnation du système

Parlons un peu plus des problèmes liés à un excès de chaleur générée. Supposons donc que vous ayez installé un capteur solaire suffisamment puissant pour fournir pleinement de la chaleur au système de chauffage de votre maison. Mais l'été est arrivé et le besoin de chauffage a disparu. Si vous pouvez couper l’alimentation d’une chaudière électrique, couper l’alimentation en carburant d’une chaudière à gaz, nous n’avons pas le soleil sous tension - nous ne pouvons pas l’éteindre quand il fait trop chaud.

La stagnation du système est l’un des principaux problèmes potentiels des capteurs solaires. Si la chaleur captée par le circuit collecteur est insuffisante, le liquide de refroidissement surchauffe. Ce dernier peut bouillir à un moment donné, ce qui entraînera la fin de sa circulation le long du circuit. Lorsque le liquide de refroidissement se refroidit et se condense, le système reprend son fonctionnement. Cependant, loin de tous les types de liquides de refroidissement, transférez calmement la transition d'un état liquide à un état gazeux et inversement. Certaines surchauffes acquièrent une consistance semblable à celle d'une gelée, ce qui rend impossible le fonctionnement ultérieur du circuit.

Seule une élimination stable de la chaleur produite par le capteur permettra d'éviter la stagnation. Si le calcul de la puissance de l'équipement est effectué correctement, la probabilité de problèmes est presque nulle.

Cependant, même dans ce cas, la survenance d'un cas de force majeure n'est pas exclue. Par conséquent, des moyens de protection contre la surchauffe doivent être prévus à l'avance:

1. Installation d'un réservoir de réserve pour l'accumulation d'eau chaude. Si l'eau dans le réservoir principal du système d'alimentation en eau chaude a atteint le maximum défini et si le capteur solaire continue à fournir de la chaleur, une commutation se produira automatiquement et l'eau commencera à chauffer déjà dans le réservoir de réserve. Le stock d’eau chaude créé peut être utilisé ultérieurement pour les besoins domestiques, par temps nuageux.

2. Eau chauffée dans la piscine. Les propriétaires de maisons avec piscine (peu importe, qu’ils soient intérieurs ou extérieurs) ont une excellente occasion de dissiper l’excès de chaleur. Le volume de la piscine est incomparablement supérieur à celui de tout stockage domestique. Il en résulte que l’eau qu’elle contient ne chauffera pas tellement qu’elle ne pourra plus absorber de chaleur.

3. Égouttez l'eau chaude. En l'absence de possibilité de dépenser un excès de chaleur, vous pouvez simplement drainer utilement l'eau chauffée du réservoir de stockage d'eau chaude dans de petits égouts par petites portions. L'eau froide entrant dans le réservoir abaissera la température de tout le volume, ce qui continuera à éliminer la chaleur du circuit.

4. Échangeur de chaleur externe avec ventilateur. Si le capteur solaire a une capacité élevée, l'excès de chaleur peut également être très important. Dans ce cas, le système est équipé d'un circuit supplémentaire rempli de réfrigérant. Ce circuit supplémentaire est connecté au système au moyen d'un échangeur thermique équipé d'un ventilateur et monté à l'extérieur du bâtiment. S'il y a un risque de surchauffe, l'excès de chaleur pénètre dans le circuit supplémentaire et est "libéré" dans l'air à travers l'échangeur thermique.

5. La décharge de chaleur dans le sol. Si, en plus du capteur solaire dans la maison, il y a une pompe à chaleur au sol, un excès de chaleur peut être envoyé au puits. En même temps, vous résolvez deux problèmes en même temps: d’une part, vous protégez le circuit collecteur de toute surchauffe et, d’autre part, vous restaurez le stock de chaleur du sol épuisé pendant l’hiver.

6. Isolement du capteur solaire de la lumière directe du soleil. Cette méthode est l'une des plus simples d'un point de vue technique. Bien sûr, monter sur le toit et fermer manuellement le collecteur n’en vaut pas la peine, c’est difficile et dangereux. Il est beaucoup plus rationnel d'installer un écran télécommandé, comme un volet roulant. Vous pouvez même connecter la commande de registre à la commande. Si la température dans le circuit augmente dangereusement, le collecteur se fermera automatiquement.

7. Vidange de liquide de refroidissement. Cette méthode peut être considérée comme cardinale, mais en même temps, elle est assez simple.En cas de risque de surchauffe, le liquide de refroidissement est drainé à l'aide d'une pompe dans un réservoir spécial intégré au circuit de l'installation. Lorsque les conditions redeviennent favorables, la pompe renvoie le liquide de refroidissement dans le circuit et le collecteur est restauré.

Autres composants du système

Il ne suffit pas de capter simplement la chaleur émise par le soleil. Il doit être transporté, accumulé, transféré aux consommateurs, il est nécessaire de contrôler tous ces processus, etc. Cela signifie qu'en plus des capteurs situés sur le toit, le système contient de nombreux autres composants moins remarquables, mais non moins importants. Concentrons-nous seulement sur certains d’entre eux.

Liquide de refroidissement

La fonction de liquide de refroidissement dans le circuit collecteur peut être soit de l’eau, soit un fluide ne gèlant pas.

L'eau présente un certain nombre d'inconvénients qui imposent certaines restrictions quant à son utilisation comme agent de refroidissement dans les capteurs solaires:

• Premièrement, à des températures de congélation, il gèle. Pour que le liquide de refroidissement gelé ne casse pas les tuyaux du circuit, il devra être drainé à l'approche du froid, ce qui signifie qu'en hiver, vous ne recevrez même pas de petites quantités d'énergie thermique du capteur.
• Deuxièmement, un point d’ébullition pas trop élevé peut causer une stagnation fréquente en été.

Contrairement à l'eau, les liquides non-givrants ont un point de congélation nettement plus bas et un point d'ébullition incomparablement plus élevé, ce qui augmente leur confort d'utilisation en tant que liquide de refroidissement. Cependant, à des températures élevées, le «non-gel» peut subir des modifications irréversibles, il doit donc être protégé d'une surchauffe excessive.

Pompe adaptée pour systèmes solaires

Pour assurer la circulation forcée du liquide de refroidissement le long du circuit collecteur, une pompe adaptée aux systèmes solaires est nécessaire.

Échangeur de chaleur ECS

Le transfert de chaleur du circuit de captage solaire vers l'eau utilisée dans l'alimentation en eau chaude domestique ou vers le caloporteur du système de chauffage est effectué au moyen d'un échangeur de chaleur. En règle générale, pour l’accumulation d’eau chaude, un réservoir à grand volume doté d’un échangeur thermique intégré est utilisé. Il est rationnel d’utiliser des réservoirs avec deux échangeurs de chaleur ou plus: cela vous permettra de prélever de la chaleur non seulement du capteur solaire, mais également d’autres sources (chaudière à gaz ou électrique, pompe à chaleur, etc.).

Automatisation

Un système aussi complexe ne peut se passer de l’automatisation, qui contrôle et contrôle le processus. Le contrôleur vous permet d’automatiser le travail du collecteur: il analyse la température dans le circuit et le réservoir de stockage, contrôle la pompe et les vannes responsables du mouvement du liquide de refroidissement le long du circuit. En cas de surchauffe du liquide de refroidissement dans le circuit et de la température de l'eau dans le réservoir, le contrôleur donnera l'ordre de rejeter la chaleur dans un autre dissipateur de chaleur - un réservoir d'eau supplémentaire ou un échangeur de chaleur à air extérieur.

Si, à la fin de la journée, la température de l'eau dans le réservoir de stockage dépasse la température du liquide de refroidissement dans le circuit du capteur, l'automatisation interrompt la circulation du liquide de refroidissement le long du circuit afin que la chaleur accumulée ne soit pas libérée dans l'atmosphère par le capteur lui-même. Les contrôleurs modernes permettent de surveiller à distance le fonctionnement du système et, si nécessaire, d'effectuer des réglages.

Aujourd'hui, il ne sera pas difficile de trouver un capteur solaire ni aucun des composants nécessaires à son fonctionnement sur le marché. Il est tout à fait possible d'assembler un système à partir d'éléments achetés séparément. Cependant, les fabricants proposent des kits prêts à l'emploi, comprenant un collecteur, des pompes, des réservoirs de stockage, des automatismes de contrôle, etc. L'achat d'un tel kit vous permet non seulement de gagner du temps, mais également de garantir les performances du système.