Les collecteurs solaires : composantes et fonctionnement

Les collecteurs solaires : composantes et fonctionnement

Selon Fortuin et Stryi-Hipp (2012), le rôle d’un collecteur solaire thermique est de convertir le rayonnement solaire en chaleur à une température suffisamment élevée pour être utile. En effet, puisque la chaleur s’écoule toujours dans la direction opposée au gradient thermique (du chaud vers le froid), le fluide caloporteur produit par le collecteur doit être plus chaud que la température nécessaire au procédé nécessitant de la chaleur. Par exemple, si on veut chauffer de l’eau domestique typiquement stockée dans les maisons à une température de 60 °C, le collecteur solaire devra chauffer un fluide caloporteur à une température supérieure à 60 °C. Un collecteur solaire plan est typiquement composé d’un absorbeur, de canalisations, d’une couverture vitrée, d’un boîtier et d’isolant. La Figure 1.1 montre une vue en coupe d’un tel collecteur solaire et indique chacun de ses composants. En fonctionnement normal, le rayonnement solaire (composé en grande partie de rayonnement à faible longueur d’onde) traverse la couverture vitrée et est absorbé au niveau de l’absorbeur. Ce dernier s’échauffe alors et la chaleur est transmise au fluide caloporteur circulant dans les canalisations en contact avec l’absorbeur. L’absorbeur et les canalisations sont finalement entourés d’un boîtier isolé afin de diminuer les pertes de chaleur de l’absorbeur chaud vers l’environnement. Dans le cas d’un collecteur à tubes sous vide, les tubes sont composés d’une double éprouvette de verre et l’absorbeur est collé sur la paroi externe de l’éprouvette interne. Un espace où règne un vide presque absolu sert alors d’isolant limitant ainsi les pertes par convection. De même, l’éprouvette externe sert de couverture vitrée permettant le passage du rayonnement solaire. La Figure 1.2 représente un tube sous vide et identifie la position de l’absorbeur et de l’espace de vide.

Dans ce type de collecteur, l’absorbeur (la face externe de l’éprouvette interne du tube) chauffe et transmet sa chaleur par conduction à l’éprouvette interne qui la transmet presque intégralement à des canalisations, un tube caloduc (habituellement par l’intermédiaire d’une ailette) ou directement au fluide caloporteur qui circule à l’intérieur. De même, dans ce type de collecteur, un réflecteur est généralement placé à l’arrière des tubes afin de rediriger vers les tubes le rayonnement solaire qui passe entre ces derniers. Dernièrement, de nouveaux tubes sous vide ouverts aux deux extrémités ont été mis en marché. Ces nouveaux tubes ne sont plus formés d’une double éprouvette (une seule extrémité ouverte) mais plutôt d’un double cylindre en verre (le tube est ouvert aux deux extrémités). Peu de données sont toutefois disponibles sur ces tubes concernant leur résistance à la surchauffe ou leur durée de vie. Des problèmes de contraintes thermiques sont toutefois anticipés dû à la dilatation du tube interne sur lequel est collé l’absorbeur. Ce dernier atteint des températures très élevées comparées à celles qu’atteint le tube externe qui reste invariablement à une température voisine de la température ambiante.

Les organismes de certification et les normes

Le marché des collecteurs solaires est très vaste et diversifié. Afin d’aider les consommateurs à faire leur choix, des organismes de certifications ont été mis sur pieds. Les plus connus d’entre eux sont le « Solar Rating Certification Corporation » (SRCC) actif en Amérique du Nord et « Solar Keymark » (SK), un organisme de certification européen. La base de données du SRCC permet de filtrer les résultats de recherche par type de collecteurs et type de fluide caloporteur. Ainsi, selon cette base de données, il n’existe aucun collecteur solaire à air utilisant des tubes sous vide certifiés par le SRCC (SRCC, 2011). Toutefois, il existe une bonne douzaine de collecteurs solaires plans à air et des centaines de collecteurs à tubes sous vide fonctionnant avec de l’eau (ou un mélange eau-glycol) comme fluide caloporteur (SRCC, 2011). De même, plusieurs normes sont utilisées pour la certification des collecteurs solaires. La norme utilisée par le SRCC est la norme ANSI ASHRAE 93 (American Society of Heating Refrigeration, 2010). L’organisme Solar Keymark utilise plutôt la norme européenne EN 12975-2 (AFNOR, 2006). Il existe aussi une norme ISO permettant de déterminer les performances d’un collecteur solaire thermique (ISO, 2010).

Finalement, une norme canadienne a été mise en application dernièrement et est le fruit d’une consultation de plusieurs acteurs et spécialistes dans le milieu du solaire thermique canadien. Cette norme est la norme CSA F378 série 11 qui donne les directives sur les essais de performances des collecteurs solaires thermiques à eau et à air (CSA, 2011). Cette norme vient chapeauter au Canada la norme ANSI ASHRAE 93 qui était auparavant la plus utilisée. En effet, les installations solaires admissibles aux subventions telles qu’ÉcoRénov doivent utiliser des collecteurs certifiés selon la norme canadienne CSA F378.

Les collecteurs solaires à air à tubes sous vide le domaine du solaire thermique a connu une époque très productive à la suite du choc pétrolier de 1973. En effet, on cherchait alors des moyens de remplacer le pétrole dont le prix avait pris un envol sans précédent. L’utilisation de l’énergie solaire pour réaliser le chauffage des espaces et de l’eau domestique figurait dans les options. On installait alors des systèmes solaires nécessitant un important investissement initial pour la mise en place des infrastructures sur la promesse d’économies futures de combustible tout au long de la durée de vie du système. Les collecteurs à tubes sous vide utilisant de l’air comme fluide caloporteur ont été utilisés en premier dans les années 1970-1980.

En effet, Eberlein (1976) présente un modèle thermique du collecteur solaire de la compagnie Owens-Illinois breveté à la fin des années 1970 (L. Moan, 1976). La Figure 1.3 tirée du mémoire présenté par Eberlein (1976) présente le principe de fonctionnement de ce collecteur. Dans ce type de collecteur, l’air entre par un plénum froid, se chauffe au contact de la paroi intérieure des tubes sous vide, passe ensuite à l’intérieur d’un tube d’alimentation inséré à l’intérieur du tube sous vide afin de rejoindre le plénum chaud. Différentes configurations peuvent alors être employées. En effet, on peut renverser l’écoulement et alimenter le collecteur via le tube d’alimentation ou encore placer deux tubes en série. L’air entrera alors par le plénum froid, se réchauffera au contact de la paroi interne du tube sous vide pour ensuite rejoindre un second tube sous vide via le tube d’alimentation pour être chauffé à nouveau avant de rejoindre le plénum chaud. Un second brevet a été déposé sur le même type de géométrie en 1980 (Novinger, 1980). Par contre, il est difficile de relever les différences entre les deux brevets. Suite à ces travaux, il n’y a que très peu de traces d’études sur les collecteurs à air à tubes sous vide dans les années qui suivent. Kim et al. (2007) présentent, plus de 30 ans plus tard, un modèle de collecteur dérivé de celui d’Eberlein. La géométrie de ce collecteur est présentée à la Figure 1.4.

Le collecteur proposé par Kim et al. (2007) utilise les tubes sous vide standard en forme d’éprouvette. Le tube est rempli d’un mélange d’antigel et on insère un assemblage de tube concentrique à l’intérieur. On fait passer le fluide caloporteur à l’intérieur de l’assemblage de tubes concentriques et c’est le mélange d’antigel qui sert d’ailette liquide pour transférer la chaleur de l’absorbeur au fluide caloporteur. La dynamique d’un tel collecteur sera différente du collecteur Owens-Illinois du fait que l’ailette liquide sert aussi de stockage thermique intégré au collecteur solaire. Le collecteur solaire aura une plus grande inertie thermique. Ainsi, il chauffera plus lentement au démarrage le matin et demeurera chaud plus longtemps le soir. Xu et al. (2012) présentent l’analyse d’une géométrie de collecteur solaire à air similaire à celle présentée initialement par Eberlein.

Le but de cette étude était de présenter une méthode dynamique de test des performances donnant plus de flexibilité aux méthodes proposées dans les normes de certifications. Le collecteur est composé de deux arrangements en série de 9 tubes éprouvette standard en parallèle comme présenté sur la Figure 1.5 tirée de Xu et al. (2012). Le fonctionnement de ce collecteur s’apparente de très près au collecteur Owens-Illinois présenté précédemment. Par contre, dans ce concept les tubes sont situés d’un seul côté du plénum et l’uniformité de l’écoulement est alors plus difficile à obtenir. Yadav et Bajpai (2011) proposent une géométrie particulière de collecteur solaire pour le chauffage de l’air d’un séchoir. Dans ce collecteur, les tubes éprouvette sont remplis d’eau et chauffent par effet thermosiphon l’enveloppe d’un conduit rectangulaire dans lequel passe l’air à chauffer. La Figure 1.6 tirée de Yadav et Bajpai (2011) présente un schéma décrivant les différentes parties du système. Comme ce collecteur est utilisé sous un climat tropical, il n’y a aucune précaution nécessaire afin de le prémunir contre les effets indésirables du gel. Le fonctionnement par thermosiphon est identique au fonctionnement des chauffe-eau solaires où des tubes sont simplement insérés à la base d’un réservoir d’eau chaude domestique non pressurisé. La chaleur de l’eau est ensuite transmise à l’air circulant dans le conduit inséré dans l’enveloppe d’eau chaude.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE PERTINENTE
1.1 Les collecteurs solaires : composantes et fonctionnement
1.2 Les organismes de certification et les normes
1.3 Les collecteurs solaires à air à tubes sous vide
1.4 La modélisation thermique de collecteurs solaires
1.4.1 Les modèles thermiques 1-D
1.4.2 Les modèles CFD
CHAPITRE 2 CAHIER DES CHARGES
2.1 Schéma conceptuel
2.2 Objectif de coût
2.3 Détermination des besoins
2.4 Spécifications
CHAPITRE 3 CONCEPTS DE SOLUTIONS
3.1 Génération de concepts
3.1.1 Le collecteur classique à tubes de Sydney
3.1.1.1 Avantages du collecteur classique à tubes de Sydney
3.1.1.2 Inconvénients du collecteur classique à tubes de Sydney
3.1.2 Le collecteur à tubes ouverts aux deux extrémités
3.1.2.1 Avantage du collecteur à tubes ouverts aux deux extrémités
3.1.2.2 Inconvénients du collecteur à tubes ouverts aux deux extrémités
3.1.3 Le collecteur à caloducs
3.1.3.1 Avantages du collecteur à caloducs
3.1.3.2 Inconvénients du collecteur à caloducs
3.2 Choix du meilleur concept
3.3 Incertitudes de la conception
3.4 Analyse de risque
CHAPITRE 4 MODÈLE THERMIQUE
4.1 Modèle du tube sous vide en stagnation
4.1.1 Régime permanent
4.1.1.1 Résultats
4.1.2 Régime transitoire
4.1.2.1 Validation du modèle
4.2 Modèle du tube sous vide avec écoulement à l’intérieur
4.2.1 Régime permanent
4.2.1.1 Résultats
4.2.2 Régime transitoire
4.2.2.1 Validation du modèle
4.3 Modèle du plénum et influence de l’épaisseur d’isolant
CHAPITRE 5 CONCEPTION FINALE
5.1 Caractéristiques du collecteur
5.1.1 Plénum chaud
5.1.2 Plénum froid
5.1.3 Installation des tubes
5.2 Exemple de banc d’essai
5.3 Performances anticipées
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I SPÉCIFICATIONS DES TUBES SOUS VIDE
ANNEXE II SYSTÈME D’ÉQUATION MATRICIELLE
ANNEXE III STATION MÉTÉO
ANNEXE IV ANNEAU D’OMBRAGE
ANNEXE V LABORATOIRE SOLAIRE
ANNEXE VI PUBLICATIONS
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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