Un capteur solaire thermique capte la chaleur en absorbant la lumière du soleil. Le terme « capteur solaire » se réfère généralement aux panneaux solaires à eau chaude, mais peut se référer à des installations telles que des bacs paraboliques solaires et des tours solaires; ou installations de base telles que les chauffe-air solaires. Les centrales solaires à concentration utilisent généralement des collecteurs plus complexes pour générer de l’électricité en chauffant un fluide pour entraîner une turbine connectée à un générateur électrique. Les collecteurs simples sont généralement utilisés dans les bâtiments résidentiels et commerciaux pour le chauffage des locaux. Le premier capteur solaire thermique conçu pour la construction de toits a été breveté par William H. Goettl et appelé «Capteur de chaleur solaire et radiateur de toiture».

Capteurs solaires thermiques chauffant le liquide
Les capteurs solaires ne sont ni concentrés ni concentrés. Dans le type non concentrant, la surface du capteur (c’est-à-dire la zone qui intercepte le rayonnement solaire) est identique à la surface de l’absorbeur (c’est-à-dire la surface absorbant le rayonnement). Dans ces types, l’ensemble du panneau solaire absorbe la lumière. Les collecteurs de concentration ont un intercepteur plus grand que l’absorbeur.

Les capteurs solaires à plaques plates et à tubes sous vide sont utilisés pour collecter la chaleur nécessaire au chauffage des locaux, à l’eau chaude domestique ou au refroidissement avec un refroidisseur à absorption.

Collecteurs de plaques plates
Les capteurs plats sont la technologie thermique solaire la plus courante. Ils consistent en (1) une enceinte contenant (2) une plaque absorbante de couleur sombre avec des passages de circulation de fluide et (3) un couvercle transparent pour permettre la transmission de l’énergie solaire dans l’enceinte. Les côtés et l’arrière de l’enceinte sont généralement isolés afin de réduire les pertes de chaleur par l’air extérieur. Un fluide circule dans les passages de fluide de l’absorbeur pour évacuer la chaleur du capteur solaire. Le fluide de circulation dans les climats tropicaux et subtropicaux est généralement de l’eau. Dans les climats où la congélation est probable, un fluide caloporteur similaire à une solution antigel automobile peut être utilisé à la place de l’eau ou en mélange avec de l’eau. Si un fluide caloporteur est utilisé, un échangeur de chaleur est généralement utilisé pour transférer la chaleur du fluide collecteur solaire vers un réservoir de stockage d’eau chaude. La conception d’absorbeur la plus courante consiste en un tube en cuivre fixé à des ailettes en cuivre ou en aluminium thermoconductrices. Un revêtement sombre est appliqué sur le côté exposé au soleil de l’ensemble absorbeur pour augmenter l’absorption de l’énergie solaire. Un revêtement absorbant commun est une peinture émaillée noire plate.

Dans les modèles de capteurs solaires plus performants, le couvercle transparent est en verre trempé à teneur réduite en oxyde de fer (la couleur verte visible lors de la visualisation d’une vitre par le côté). Le verre peut également avoir un motif pointillé et un revêtement antireflet pour capter plus d’énergie solaire en réduisant la réflexion. Le revêtement absorbant est typiquement un revêtement sélectif. Les revêtements sélectifs ont des propriétés optiques spéciales pour améliorer l’efficacité en réduisant l’émittance de l’énergie infrarouge de l’absorbeur.

Certains fabricants ont introduit des capteurs solaires à plaques plates peu coûteux qui utilisent des couvercles transparents en polycarbonate et des ensembles absorbants en polypropylène.

La plupart des fabricants de chaleur à air et certains fabricants de chaleur à eau ont un absorbeur complètement noyé constitué de deux feuilles de métal entre lesquelles le fluide passe. Du fait que la surface d’échange de chaleur est plus grande, ils peuvent être légèrement plus efficaces que les absorbeurs traditionnels.

Dans les endroits où l’énergie solaire disponible est moyenne, les capteurs à plaques plates ont une taille d’environ un demi à un pied carré par gallon d’eau chaude pendant une journée. Les configurations de tuyauterie d’absorbeur incluent:

harpe – conception traditionnelle avec colonnes montantes et tuyaux collecteurs supérieurs, utilisés dans les systèmes de thermosiphon et de pompage à basse pression;
serpentine – un S continu qui maximise la température mais pas le rendement énergétique total dans les systèmes à débit variable, utilisés dans les systèmes compacts à eau chaude sanitaire solaire uniquement (pas de rôle de chauffage);
absorbeur noyé constitué de deux feuilles de métal estampées pour produire une zone de circulation;
Collecteurs d’absorbeurs de couche limite constitués de plusieurs couches de feuilles transparentes et opaques permettant une absorption dans une couche limite. Du fait que l’énergie est absorbée dans la couche limite, la conversion thermique peut être plus efficace que pour les capteurs dans lesquels la chaleur absorbée est conduite à travers un matériau avant que la chaleur ne s’accumule dans un liquide en circulation.

Les collecteurs à plaque plate en polymère constituent une alternative aux collecteurs métalliques et sont maintenant fabriqués en Europe. Celles-ci peuvent être entièrement en polymère, ou peuvent inclure des plaques métalliques devant des canaux d’eau tolérants au gel en silicone. Les polymères sont flexibles et donc résistants au gel et peuvent utiliser de l’eau ordinaire au lieu de l’antigel, de sorte qu’ils puissent être directement raccordés aux réservoirs d’eau existants au lieu d’avoir besoin d’échangeurs de chaleur moins efficaces. En supprimant un échangeur de chaleur, les températures n’ont pas besoin d’être si élevées pour que le système de circulation soit mis en marche, de sorte que de tels panneaux à circulation directe, en polymère ou autre, peuvent être plus efficaces, en particulier à des niveaux de lumière faibles. Certains collecteurs de polymère à revêtement sélectif précoce présentaient une surchauffe lorsqu’ils étaient isolés, les températures de stagnation pouvant dépasser le point de fusion du polymère. Par exemple, le point de fusion du polypropylène est de 160 ° C (320 ° F), tandis que la température de stagnation des capteurs thermiques isolés peut dépasser 180 ° C (356 ° F) si les stratégies de contrôle ne sont pas utilisées. Pour cette raison, le polypropylène n’est pas souvent utilisé dans les capteurs solaires émaillés à revêtement sélectif. De plus en plus, des polymères tels que les silicones à haute température (qui fondent à plus de 250 ° C) sont utilisés. Certains capteurs solaires vitrés à base de polymère non en polypropylène ont un revêtement noir mat plutôt qu’un revêtement sélectif afin de réduire la température de stagnation à 150 ° C (302 ° F) ou moins.

Capteurs à tubes sous vide
La plupart des capteurs à tubes à vide utilisés en Europe centrale utilisent des caloducs pour leur cœur au lieu de leur faire passer du liquide directement. Le flux direct est plus populaire en Chine. Les tubes de tubes de chaleur sous vide (EHPT) sont composés de plusieurs tubes de verre sous vide contenant chacun une plaque absorbante fusionnée à un caloduc. La chaleur est transférée dans le fluide de transfert (eau ou mélange antigel, généralement du propylène glycol) d’un système de chauffage à eau chaude domestique ou hydronique dans un échangeur de chaleur appelé « manifold ». Le collecteur est enveloppé dans une isolation et recouvert d’une tôle de protection ou d’un boîtier en plastique. Il a été prouvé que le vide à l’intérieur des collecteurs à tubes sous vide dure plus de 25 ans. Le revêtement réfléchissant pour la conception est encapsulé dans le vide à l’intérieur du tube, qui ne se dégradera pas tant que le vide n’aura pas disparu. Le vide qui entoure l’extérieur du tube réduit considérablement les pertes de chaleur par convection et par conduction, ce qui permet d’obtenir une efficacité supérieure à celle des capteurs plats, en particulier dans les conditions plus froides. Cet avantage est largement perdu dans les climats plus chauds, sauf dans les cas où une eau très chaude est souhaitable, par exemple pour des procédés commerciaux. Les températures élevées qui peuvent survenir peuvent nécessiter une conception spéciale pour éviter la surchauffe.

Certains tubes sous vide (verre-métal) sont fabriqués avec une couche de verre qui fusionne au caloduc à l’extrémité supérieure et renferme le caloduc et l’absorbeur dans le vide. D’autres (verre-verre) sont constitués d’une double couche de verre fondue à l’une ou aux deux extrémités, avec un vide entre les couches (comme une bouteille à vide ou un ballon), l’absorbeur et le caloduc étant contenus à la pression atmosphérique. Les tubes verre-verre ont un joint sous vide extrêmement fiable, mais les deux couches de verre réduisent la lumière qui parvient à l’absorbeur. De l’humidité peut pénétrer dans la zone non évacuée du tube et provoquer la corrosion de l’absorbeur. Les tubes en verre-métal permettent à la lumière d’atteindre l’absorbeur et protègent l’absorbeur et le caloduc de la corrosion même s’ils sont faits de matériaux dissemblables (voir corrosion galvanique).

Les espaces entre les tubes peuvent permettre à la neige de tomber à travers le collecteur, minimisant ainsi la perte de production dans certaines conditions neigeuses, bien que le manque de chaleur émise par les tubes puisse également empêcher une perte efficace de la neige accumulée.

Comparaison des collecteurs à plaques plates et à tubes sous vide
Un argument de longue date existe entre les promoteurs de ces deux technologies. Une partie de ceci peut être liée à la structure physique des collecteurs à tubes sous vide qui ont une zone d’absorbance discontinue. Un réseau de tubes sous vide sur un toit présente un espace ouvert entre les tubes collecteurs et un vide entre les deux tubes de verre concentriques de chaque collecteur. Les tubes collecteurs ne couvrent qu’une fraction d’une unité de surface sur un toit. Si les tubes évacués sont comparés aux capteurs à plaques plates sur la base de la surface de toit occupée, une conclusion différente pourrait être atteinte que si les zones d’absorbeur étaient comparées. En outre, la norme ISO 9806 décrit de manière ambiguë la manière dont l’efficacité des capteurs solaires thermiques devrait être mesurée, étant donné qu’elles pourraient être mesurées en termes de surface brute ou de surface d’absorbeur. Malheureusement, la puissance de sortie n’est pas donnée pour les capteurs thermiques comme pour les panneaux photovoltaïques. Cela rend difficile pour les acheteurs et les ingénieurs de prendre des décisions éclairées.

Les capteurs à plaques plates perdent généralement plus de chaleur dans l’environnement que les tubes sous vide, en fonction de la température. Ils sont inappropriés pour les applications à haute température telles que la production de vapeur de procédé. Les collecteurs à tubes sous vide ont un rapport entre la surface de la plaque absorbante et la surface brute inférieure (généralement 60 à 80% de la surface brute) par rapport aux plaques plates. Sur la base de la surface de la plaque absorbante, la plupart des systèmes de tubes sous vide sont plus efficaces par mètre carré que les systèmes à plaque plate équivalents. Cela les rend appropriés lorsque la surface du toit est limitée, par exemple lorsque le nombre d’occupants d’un bâtiment est supérieur au nombre de mètres carrés d’espace de toit approprié et disponible. En général, par mètre carré installé, les tubes sous vide fournissent un peu plus d’énergie lorsque la température ambiante est basse (par exemple en hiver) ou lorsque le ciel est couvert. Cependant, même dans les zones où il n’ya pas beaucoup de soleil et de chaleur solaire, certains capteurs plats peu coûteux peuvent être plus économiques que les capteurs à tubes sous vide. Bien que plusieurs sociétés européennes fabriquent des capteurs à tubes sous vide, le marché des tubes sous vide est dominé par les fabricants orientaux. Plusieurs entreprises chinoises ont des antécédents de 15 à 30 ans. Il n’y a pas de preuve non ambiguë que les deux conceptions diffèrent dans la fiabilité à long terme. Cependant, la technologie des tubes sous vide est plus jeune et (surtout pour les nouvelles variantes avec des caloducs étanches) doit encore démontrer une durée de vie compétitive. La modularité des tubes sous vide peut être avantageuse en termes d’extensibilité et de maintenance, par exemple si le vide dans un tube diminue.

Applications
Cette technologie est principalement utilisée dans les bâtiments résidentiels où la demande d’eau chaude a un impact important sur les factures d’énergie. Cela signifie généralement une situation avec une famille nombreuse ou une situation dans laquelle la demande en eau chaude est excessive en raison du lavage fréquent du linge. Les applications commerciales comprennent les laveries automatiques, les lave-autos, les buanderies militaires et les établissements de restauration. La technologie peut également être utilisée pour le chauffage des locaux si le bâtiment est hors réseau ou si le service public est sujet à des pannes fréquentes. Les systèmes de chauffage solaire de l’eau sont les plus susceptibles d’être rentables pour les installations équipées de systèmes de chauffage d’eau coûteux ou d’opérations telles que des blanchisseries ou des cuisines nécessitant de grandes quantités d’eau chaude. Les collecteurs de liquide non vitrés sont couramment utilisés pour chauffer l’eau des piscines, mais peuvent également être utilisés pour le préchauffage de l’eau à grande échelle. Lorsque les charges sont importantes par rapport à la surface disponible des capteurs, le chauffage de l’eau peut s’effectuer en grande partie à basse température, à des températures inférieures à celles des piscines où les capteurs non vitrés sont bien établis sur le marché. Parce que ces capteurs ne doivent pas résister à des températures élevées, ils peuvent utiliser des matériaux moins coûteux tels que le plastique ou le caoutchouc. Beaucoup de collecteurs non vitrés sont fabriqués en polypropylène et doivent être vidangés complètement pour éviter les dommages causés par le gel lorsque la température de l’air tombe en dessous de 44 ° F par nuit claire.

bol
Une cuvette solaire est un type de capteur solaire thermique qui fonctionne comme une parabole, mais au lieu d’utiliser un miroir de suivi parabolique avec un récepteur fixe, il comporte un miroir sphérique fixe avec un récepteur de suivi. Cela réduit l’efficacité, mais rend la construction et l’exploitation moins coûteuses. Les concepteurs l’appellent un système d’énergie solaire à focale fixe à miroir fixe. La principale raison de son développement était d’éliminer le coût de déplacement d’un grand miroir pour suivre le soleil comme avec les systèmes à parabole.

Un miroir parabolique fixe crée une image de différentes formes du soleil lorsqu’il se déplace dans le ciel. Ce n’est que lorsque le miroir est dirigé directement vers le soleil que la lumière se concentre sur un point. C’est pourquoi les systèmes paraboliques suivent le soleil. Un miroir sphérique fixe focalise la lumière au même endroit, indépendamment de la position du soleil. La lumière, cependant, n’est pas dirigée vers un point mais est distribuée sur une ligne allant de la surface du miroir à un demi-rayon (le long d’une ligne qui traverse le centre de la sphère et le soleil).

Au fur et à mesure que le soleil se déplace dans le ciel, l’ouverture de tout collecteur fixe change. Cela provoque des changements dans la quantité de lumière solaire capturée, produisant ce que l’on appelle l’effet sinusal de la puissance. Les promoteurs de la conception de la cuvette solaire affirment que la réduction de la puissance totale par rapport à celle des miroirs paraboliques est compensée par la réduction des coûts du système.

La lumière du soleil concentrée sur la ligne focale d’un réflecteur sphérique est collectée à l’aide d’un récepteur de poursuite. Ce récepteur est pivoté autour de la ligne focale et est généralement contrebalancé. Le récepteur peut être constitué de tuyaux transportant un fluide pour transfert thermique ou de cellules photovoltaïques pour une conversion directe de la lumière en électricité.

La conception du bol solaire est le résultat d’un projet du Département d’ingénierie électrique de l’Université technique du Texas, dirigé par Edwin O’Hair, pour développer une centrale de 5 MWe. Un bol solaire a été construit pour la ville de Crosbyton, au Texas, à titre d’installation pilote. Le bol avait un diamètre de 20 m (65 pi), incliné à un angle de 15 ° pour optimiser la relation coût / rendement (33 ° aurait maximisé le rendement). Le bord de l’hémisphère a été «coupé» à 60 °, créant une ouverture maximale de 308,3 m2 (3 318 pieds carrés). Ce bol pilote produisait de l’électricité à un taux de pointe de 10 kW.

Un bol solaire d’Auroville de 15 mètres de diamètre a été mis au point à partir d’un essai antérieur réalisé en 1979-1982 sur un bol de 3,5 mètres par le Tata Energy Research Institute. Ce test a montré l’utilisation du bol solaire dans la production de vapeur pour la cuisson. Le projet à grande échelle visant à construire un bol solaire et une cuisine a débuté en 1996 et était pleinement opérationnel en 2001.

Capteurs solaires thermiques chauffant l’air
Un simple collecteur d’air solaire est constitué d’un matériau absorbant, ayant parfois une surface sélective, pour capter le rayonnement solaire et transférer cette énergie thermique dans l’air par transfert de chaleur par conduction. Cet air chauffé est ensuite acheminé vers le bâtiment ou la zone de traitement où l’air chauffé est utilisé pour les besoins de chauffage ou de chauffage. Fonctionnant de manière similaire à une fournaise conventionnelle à air pulsé, les systèmes solaires thermo-aériens fournissent de la chaleur en faisant circuler de l’air sur une surface collectant l’énergie, en absorbant l’énergie thermique du soleil et en canalisant l’air entrant en contact avec elle. Des collecteurs simples et efficaces peuvent être réalisés pour une variété d’applications de climatisation et de process.

Diverses applications peuvent utiliser des technologies de chauffage solaire de l’air pour réduire l’empreinte carbone de l’utilisation de sources de chaleur conventionnelles, telles que les combustibles fossiles, afin de créer un moyen durable de produire de l’énergie thermique. Des applications telles que le chauffage des locaux, l’extension de la saison des serres, le préchauffage de l’air d’appoint de la ventilation ou la chaleur du procédé peuvent être traitées par des dispositifs de chauffage solaire de l’air. Dans le domaine de la «cogénération solaire», les technologies thermiques solaires sont associées au photovoltaïque (PV) pour accroître l’efficacité du système en évacuant la chaleur des capteurs photovoltaïques, en refroidissant les panneaux photovoltaïques pour améliorer leur performance électrique tout en réchauffant l’air pour le chauffage des locaux.

Chauffage et ventilation des locaux
Le chauffage des locaux à usage résidentiel et commercial peut être réalisé grâce à l’utilisation de panneaux solaires. Cette configuration fonctionne en aspirant l’air de l’enveloppe du bâtiment ou de l’environnement extérieur et en le faisant passer dans le collecteur où l’air se réchauffe par conduction à partir de l’absorbeur puis alimente l’espace de vie ventilateur. Une figure pionnière de ce type de système était George Löf, qui a construit un système d’air chauffé par énergie solaire en 1945 pour une maison à Boulder, au Colorado. Il a ensuite inclus un lit de gravier pour le stockage de la chaleur.

La ventilation, l’air frais ou l’air d’appoint est nécessaire dans la plupart des bâtiments commerciaux, industriels et institutionnels pour répondre aux exigences du code. En aspirant de l’air à travers un capteur d’air transpire non vitré ou un réchauffeur d’air correctement conçu, l’air frais chauffé par le soleil peut réduire la charge de chauffage pendant le fonctionnement de jour. De nombreuses applications sont maintenant installées où le capteur transpiré préchauffe l’air frais entrant dans un ventilateur récupérateur de chaleur afin de réduire le temps de dégivrage des VRC. Plus votre ventilation et votre température seront élevées, meilleur sera votre retour sur investissement.

Processus de chauffage
La chaleur de l’air solaire est également utilisée dans des applications telles que le séchage du linge, les cultures (thé, maïs, café) et d’autres applications de séchage. L’air chauffé par un capteur solaire puis passé sur un milieu à sécher peut constituer un moyen efficace de réduire la teneur en humidité du matériau.

Types de capteurs solaires
Les collecteurs sont généralement classés par leurs méthodes de conduits d’air parmi trois types:

collecteurs de passage
front-pass
retour de passe
Collecteurs avant et arrière combinés

Les collecteurs peuvent également être classés par leur surface extérieure:

vitré
non vitré

Capteur d’air traversant
Offrant le rendement le plus élevé de toutes les technologies solaires, la configuration à passage traversant, l’air canalisé sur un côté de l’absorbeur traverse un matériau perforé et est chauffée en raison des propriétés conductrices du matériau et des propriétés de convection de l’air en mouvement. Les absorbeurs de passage ont la plus grande surface, ce qui permet des taux de transfert de chaleur relativement élevés, mais une chute de pression importante peut nécessiter une puissance de ventilateur accrue et la détérioration de certains absorbants après plusieurs années d’exposition au rayonnement solaire .

Capteur d’air à passage arrière, avant et combiné
Dans les configurations de type passe-arrière, passe-avant et combinaison, l’air est dirigé vers l’arrière, l’avant ou les deux côtés de l’absorbeur afin d’être chauffé depuis le retour vers les collecteurs de gaines d’alimentation. Bien que le fait de faire passer de l’air sur la face avant de l’absorbeur réduise l’efficacité de l’absorbeur en limitant la quantité de lumière reçue, le passage de l’air des deux côtés de l’absorbeur fournira une plus grande surface pour le transfert de chaleur par conduction. . Dans les climats froids, l’air qui passe à côté du vitrage causera en outre une perte de chaleur plus importante, entraînant une baisse des performances globales du capteur.

Systèmes vitrés
Les systèmes vitrés ont généralement une feuille supérieure transparente et des panneaux latéraux et arrière isolés pour minimiser les pertes de chaleur dans l’air ambiant. Les plaques absorbantes des panneaux modernes peuvent avoir une capacité d’absorption supérieure à 93%. Capteurs solaires vitrés (types à recirculation généralement utilisés pour le chauffage de locaux). L’air passe généralement par l’avant ou l’arrière de la plaque d’absorption tout en évacuant la chaleur directement de celle-ci. L’air chauffé peut ensuite être distribué directement pour des applications telles que le chauffage et le séchage de locaux ou peut être stocké pour une utilisation ultérieure. La période de récupération pour les panneaux de chauffage à air solaire vitrés peut être inférieure à 9 à 15 ans, selon le combustible à remplacer.

Systèmes non vitrés
Les systèmes non vitrés ou les systèmes à air transpiré ont été utilisés pour chauffer l’air d’appoint ou de ventilation dans des applications commerciales, industrielles, agricoles et de traitement. Ils sont constitués d’une plaque absorbante dans laquelle l’air traverse ou absorbe la chaleur de l’absorbeur. Les matériaux de vitrage non transparents sont moins coûteux et diminuent les délais de récupération prévus. Les collecteurs transpirés sont considérés comme « non émaillés » car leurs surfaces de collecteur sont exposées aux éléments, ne sont souvent pas transparentes et ne sont pas scellées hermétiquement.

Capteurs solaires transpercés non vitrés

Contexte
Le terme « collecteur d’air non vitré » désigne un système de chauffage solaire de l’air constitué d’un absorbeur de métal sans verre ni vitrage. Le type de capteur non vitré le plus répandu sur le marché est le capteur solaire transpiré. La technologie a été largement surveillée par ces organismes gouvernementaux, et Ressources naturelles Canada a mis au point l’outil de faisabilité RETScreen ™ pour modéliser les économies d’énergie réalisées par les capteurs solaires transpirés. Depuis lors, plusieurs milliers de capteurs solaires transpirants ont été installés dans divers applications commerciales, industrielles, institutionnelles, agricoles et de traitement dans des pays du monde entier. Cette technologie était à l’origine utilisée principalement dans des applications industrielles telles que les usines de fabrication et d’assemblage où il y avait des exigences élevées en matière de ventilation, une chaleur de plafond stratifiée et souvent une pression négative dans le bâtiment. Avec la tendance croissante à installer des systèmes d’énergie renouvelable sur les bâtiments, les capteurs solaires transpirés sont désormais utilisés sur l’ensemble du parc immobilier en raison de la production d’énergie élevée (jusqu’à 750 crêtes thermiques / mètre carré), de la conversion solaire élevée (jusqu’à 90%) et des coûts d’investissement inférieurs à ceux du solaire photovoltaïque et du chauffage de l’eau solaire.

Le chauffage solaire de l’air est une technologie de chauffage à énergie renouvelable utilisée pour chauffer ou conditionner l’air des bâtiments ou des applications de traitement de la chaleur. C’est généralement la technologie la plus rentable parmi toutes les technologies solaires, en particulier dans les applications à grande échelle, et elle concerne la plus grande utilisation de l’énergie des bâtiments dans les climats de chauffage, à savoir le chauffage des locaux et le chauffage industriel. Ils sont vitrés ou non émaillés.

Mode opératoire
Les collecteurs d’air non vitrés chauffent l’air ambiant (extérieur) au lieu de l’air recyclé du bâtiment. Les capteurs solaires transpirés sont généralement fixés au mur pour capturer l’angle solaire inférieur pendant les mois de chauffe hivernaux ainsi que les reflets du soleil sur la neige et obtenir des performances optimales et un retour sur investissement à des débits compris entre 4 et 8 CFM par pied carré (72 à 144 m3 / h.m2) de surface collectrice.

La surface extérieure d’un capteur solaire transpiré se compose de milliers de microperforations minuscules qui permettent de capturer la couche limite de chaleur et de la dessiner uniformément dans une cavité d’air située derrière les panneaux extérieurs. Cet air de ventilation chauffé est aspiré sous pression négative dans le système de ventilation du bâtiment où il est ensuite distribué par des moyens classiques ou par un système de conduits solaires.

Air chaud pouvant pénétrer dans un système CVC connecté à un collecteur à transpiration muni de sorties d’air placées tout en haut du collecteur, en particulier si le collecteur est orienté à l’ouest. Pour remédier à ce problème, Matrix Energy a breveté un collecteur transparent avec une position de sortie d’air plus basse et un encadrement de cavité perforée permettant de créer une turbulence accrue derrière l’absorbeur perforé pour des performances accrues.

Cette vue en coupe montre les composants du capteur solaire transpired MatrixAir et le flux d’air. L’entrée d’air inférieure atténue l’admission d’air chauffé dans le système de CVC en été.

Les nombreuses activités de surveillance menées par Ressources naturelles Canada et NREL ont montré que les systèmes de capteurs solaires transpirés réduisent de 10 à 50% la charge de chauffage conventionnelle et que RETScreen est un prédicteur précis du rendement du système. Les capteurs solaires à transpiration agissent comme un écran anti-pluie et capturent également les pertes de chaleur s’échappant de l’enveloppe du bâtiment, qui sont collectées dans la cavité d’air du capteur et ramenées dans le système de ventilation. Les systèmes de chauffage à air solaire ne nécessitent aucun entretien et la durée de vie prévue est de plus de 30 ans.

Variations de capteurs solaires transpirés
Les collecteurs transpire non vitrés peuvent également être montés sur un toit pour des applications dans lesquelles il n’ya pas de mur orienté au sud ou pour d’autres considérations architecturales. Matrix Energy Inc. a breveté un produit monté sur le toit appelé «Delta», un système de chauffage à air solaire modulaire monté sur le toit, dans lequel les façades orientées vers le sud, l’est ou l’ouest ne sont tout simplement pas disponibles.

Chaque module de 3,05 m fournira 425 m3 / h d’air frais préchauffé, générant ainsi des économies d’énergie annuelles de 1100 kWh (4 GJ) par an. Ce collecteur transpiré monté sur le toit, modulaire et à deux étages, fonctionne avec une efficacité de près de 90%. Chaque module fournit plus de 118 l / s d’air préchauffé par collecteur de deux mètres carrés. Jusqu’à sept collecteurs peuvent être connectés en série dans une rangée, sans limitation du nombre de rangées connectées en parallèle le long d’un conduit central, générant généralement 4 PCM d’air préchauffé par pied carré de surface disponible. +

Les collecteurs transpirés peuvent être configurés pour chauffer l’air deux fois pour augmenter la température de l’air fourni, ce qui le rend approprié pour les applications de chauffage des locaux ainsi que pour le chauffage de l’air de ventilation. Dans un système à deux étages, le premier étage est le collecteur transpiré non vitré typique et le deuxième étage est recouvert de vitrage recouvrant le collecteur transpiré. Le vitrage permet de diriger tout cet air chauffé du premier étage à travers un deuxième ensemble de capteurs transpirés pour une seconde étape de chauffage solaire.

Capteurs solaires thermiques générant de l’électricité
Les cuvettes, cuvettes et tours paraboliques décrites dans cette section sont utilisées presque exclusivement dans les centrales solaires ou à des fins de recherche. Des goulottes paraboliques ont été utilisées pour certains systèmes de climatisation solaire commerciaux. Bien que simples, ces concentrateurs solaires sont assez loin de la concentration maximale théorique. Par exemple, la concentration en creux parabolique est d’environ 1/3 du maximum théorique pour le même angle d’acceptation, c’est-à-dire pour les mêmes tolérances globales pour le système. On peut atteindre le maximum théorique en utilisant des concentrateurs plus élaborés basés sur l’optique non imageur. Les capteurs solaires thermiques peuvent également être utilisés conjointement avec des collecteurs photovoltaïques pour obtenir de la chaleur et de l’énergie combinées.

Creux parabolique
Ce type de capteur est généralement utilisé dans les centrales solaires. Un réflecteur parabolique en forme de cuvette est utilisé pour concentrer la lumière du soleil sur un tube isolé (tube de Dewar) ou un caloduc, placé au point focal, contenant du fluide caloporteur qui transfère la chaleur des capteurs aux chaudières de la centrale.

Parabole
Avec un capteur de parabole, un ou plusieurs antennes paraboliques concentrent l’énergie solaire en un point focal unique, similaire à la façon dont un télescope à réflexion concentre la lumière des étoiles ou une antenne parabolique concentre les ondes radio. Cette géométrie peut être utilisée dans les fours solaires et les centrales solaires.

La forme d’une parabole signifie que les rayons lumineux qui sont parallèles à l’axe de la parabole seront reflétés vers le foyer, peu importe où ils arrivent sur le plat. La lumière du soleil arrive à la surface de la Terre presque complètement parallèlement, et la parabole est alignée avec son axe qui pointe vers le soleil, permettant à presque tout le rayonnement entrant d’être réfléchi vers le point focal de la parabole. La plupart des pertes dans ces collecteurs sont dues à des imperfections de la forme parabolique et à une réflexion imparfaite.

Les pertes dues à la diffusion atmosphérique sont généralement minimes. Cependant, lors d’une journée brumeuse ou brumeuse, la lumière est diffusée dans toutes les directions à travers l’atmosphère, ce qui réduit considérablement l’efficacité d’une parabole.

Dans les antennes paraboliques, un moteur stirling couplé à une dynamo est placé au centre de la parabole. Cela absorbe l’énergie concentrée sur elle et la convertit en électricité.

Tour de puissance
Une tour de puissance est une grande tour entourée de miroirs de suivi appelés héliostats. Ces miroirs s’alignent et focalisent la lumière du soleil sur le récepteur en haut de la tour. La chaleur collectée est transférée à une centrale située en dessous. Cette conception atteint des températures très élevées. Les températures élevées conviennent à la production d’électricité en utilisant des méthodes classiques telles que les turbines à vapeur ou une réaction chimique directe à haute température telle que le sel liquide. En concentrant la lumière du soleil, les systèmes actuels peuvent être plus efficaces que les simples cellules solaires. Une surface plus grande peut être couverte en utilisant des miroirs relativement peu coûteux plutôt qu’en utilisant des cellules solaires coûteuses. La lumière concentrée peut être redirigée vers un emplacement approprié via un câble à fibres optiques, par exemple pour éclairer des bâtiments. L’accumulation de chaleur pour la production d’électricité par temps nuageux et pendant la nuit peut être réalisée, souvent par stockage en réservoir souterrain de fluides chauffés. Les sels fondus ont été utilisés à bon escient. D’autres fluides de travail, tels que les métaux liquides, ont également été proposés en raison de leurs propriétés thermiques supérieures.

Cependant, les systèmes de concentration nécessitent un suivi du soleil pour maintenir la focalisation du rayonnement solaire sur le capteur. Ils sont incapables de fournir une puissance significative dans des conditions de lumière diffuse. Les cellules solaires peuvent fournir une certaine sortie même si le ciel devient nuageux, mais la puissance produite par les systèmes de concentration chute considérablement dans des conditions nuageuses, car la lumière diffuse ne peut pas être concentrée.