Les innovations récentes en matière de panneaux solaires thermiques : les capteurs à concentration, les capteurs hybrides PV-T, etc.

Réduire efficacement sa facture énergétique passe désormais par la production d’eau chaude solaire. Parmi les récentes avancées dans le domaine des panneaux solaires thermiques, les progrès réalisés au niveau des capteurs sont remarquables. Des revêtements sélectifs, basés sur des matériaux nanostructurés, ont été développés pour améliorer l’efficacité des capteurs. Ils permettent ainsi d’absorber davantage de lumière solaire tout en minimisant les pertes thermiques. Cet article met en lumière ces avancées en se concentrant sur les capteurs à concentration et les capteurs hybrides PV/T.

Type de Capteur Solaire 🌞	Description et Caractéristiques 📝
Capteurs Solaires Thermiques 🔥	Convertissent le rayonnement solaire en énergie thermique pour chauffer un fluide caloporteur.
Capteurs Hybrides PV/T 🌤️	Combinent production d’électricité photovoltaïque et récupération de chaleur.
Capteurs à Concentration 🔍	Concentrent la lumière solaire sur un point focal pour un rendement thermique plus élevé.
Capteurs Cylindro-Paraboliques 🌡️	Miroirs paraboliques concentrant la lumière sur un tube central.
Centrales à Tour 🏰	Miroirs réfléchissants au sol dirigeant la lumière vers un récepteur en haut d’une tour.

Le fonctionnement des capteurs solaires thermiques

Les capteurs solaires thermiques agissent comme des échangeurs de chaleur en transformant le rayonnement solaire en énergie thermique. Contrairement aux échangeurs classiques, ils sont spécifiquement conçus pour gérer le rayonnement solaire incident. Ils se caractérisent par une densité énergétique variable et faible, ainsi qu’une longueur d’onde plus courte que celle du rayonnement émis par la plupart des surfaces radiatives.

Grâce à ces capteurs, l’énergie solaire est absorbée et convertie en énergie thermique. Elle est ensuite transférée à un fluide caloporteur circulant dans le système. Ce fluide peut être de l’air, de l’eau, de l’huile ou un mélange avec du glycol (fluide antigel) pour les systèmes à circulation forcée. Certains systèmes utilisent également des matériaux à changement de phase, comme les sels fondus, pour concentrer l’énergie. Le transfert thermique s’effectue par convection, naturelle ou forcée, en fonction du type de système.

Les capteurs solaires photovoltaïques thermiques hybrides

Les Capteurs solaires photovoltaïques thermiques, aussi connus sous le nom de systèmes PV/T hybrides ou PVT, représentent une avancée majeure en matière de conversion d’énergie solaire. Ils associent une cellule solaire qui transforme la lumière solaire en électricité avec un capteur solaire thermique. Ainsi, ils récupèrent l’énergie résiduelle et évacuent la chaleur excédentaire du module PV. Ces systèmes se révèlent plus efficaces sur le plan énergétique que les installations solaires photovoltaïques (PV) ou les systèmes solaires thermiques autonomes.

Des recherches approfondies menées depuis les années 1970 ont permis de perfectionner cette technologie PVT. Pour réduire les pertes de performance dues à la chaleur, il est possible de concevoir ces systèmes de manière à éloigner la chaleur des cellules PV. Ils les refroidissent et améliorent leur rendement en réduisant la résistance. Cependant, cette méthode peut entraîner une moindre performance de la composante thermique par rapport à un capteur solaire thermique conventionnel.

Les principes fondamentaux

Ces systèmes combinent des éléments photovoltaïques, généralement constitués de cellules en silicium dopé. Ces cellules transforment la lumière solaire du domaine visible en différence de potentiel et en courant électrique. Une partie capteur thermique est composée d’un absorbeur ou d’un concentrateur.

L’absorbeur récupère l’énergie calorifique transmise par le rayonnement infrarouge solaire, qui est souvent perdue sous forme de chaleur dissipée par le panneau. Cette énergie est capturée grâce à un fluide caloporteur tel que l’air ou l’eau/glycol. Elle est ensuite injectée par une pompe alimentée en électricité. L’électricité produite peut être utilisée localement immédiatement, stockée dans une batterie ou injectée dans le réseau électrique pour revente ou rachat. De même, la chaleur produite peut être utilisée pour chauffer ou préchauffer de l’air ou de l’eau domestique (eau chaude sanitaire, piscine, etc.) ou pour alimenter une unité de séchage.

Divers types de systèmes PV/T

Le marché propose plusieurs types de collecteurs PV/T, répartis dans les catégories suivantes :

• Collecteur de liquide PV/T : Ce système refroidi à l’eau utilise un canal pour diriger le fluide à travers des tuyaux ou des plaques attachées à l’arrière d’un module PV. Le fluide de travail circule dans les tuyaux, absorbant la chaleur des cellules photovoltaïques. Dans les systèmes en boucle fermée, la chaleur peut être évacuée ou transférée vers un échangeur de chaleur. Dans les systèmes en boucle ouverte, la chaleur est utilisée avant que le fluide ne retourne aux cellules PV.
• Collecteur d’air PV/T : Ce concept, refroidi par air, utilise un boîtier métallique conducteur pour monter les panneaux PV. L’air circule dans l’espace clos pour récupérer l’énergie calorifique émise par les panneaux.
• Concentrateur PV/T (CPVT) : Ce système réduit la quantité de cellules PV requises. Il permet l’utilisation de cellules à jonctions multiples pour maximiser le rapport entre la puissance électrique et la valeur thermique. Ces systèmes sont plus adaptés aux régions exemptes de contaminants atmosphériques.

Les progrès récents dans le domaine des capteurs solaires thermiques ont amélioré leur efficacité, leur durabilité et leur rentabilité.

Capteurs solaires thermiques à concentration

Les capteurs solaires thermiques à concentration constituent une avancée majeure dans le domaine de l’énergie solaire. Grâce à leur conception ingénieuse, ces dispositifs permettent de concentrer la lumière solaire sur des points focaux. Ils augmentent ainsi l’efficacité de conversion de l’énergie solaire en chaleur. Les avancées des dernières décennies ont permis de développer quatre technologies majeures pour les capteurs solaires à concentration :

Capteurs cylindro-paraboliques

Cette technologie éprouvée et parmi les plus anciennes utilise des miroirs cylindriques de section parabolique pour concentrer la lumière solaire sur un tube central contenant le fluide caloporteur. La chaleur captée est utilisée pour produire de la vapeur, alimentant une turbine connectée à un générateur électrique et générant de l’électricité. Ces capteurs sont largement utilisés dans les centrales solaires thermodynamiques à concentration (CSP) avec une concentration d’environ 40.

En tant qu’ingénieur, je suis émerveillé par le potentiel des capteurs cylindro-paraboliques dans le domaine de l’énergie verte.

Sundar Pichai

Concentrateurs à lentilles de Fresnel

Une variante innovante des capteurs solaires thermiques, utilisant des miroirs plans rectangulaires étroits pour concentrer la lumière solaire sur un point focal, où le fluide caloporteur est chauffé. Comparés aux systèmes paraboliques, ces concentrateurs sont plus légers et abordables. Ils sont adaptés aux applications résidentielles et commerciales, avec une concentration d’environ 30.

Capteurs paraboliques

Ils jouent un rôle clé dans les centrales solaires thermodynamiques à concentration. Ils utilisent des miroirs paraboliques pour concentrer la lumière solaire sur un tube récepteur positionné au point focal du miroir. Cette concentration de lumière solaire chauffe le fluide caloporteur contenu dans le tube à des températures élevées. Elle permet ainsi de produire de la vapeur qui alimente une turbine pour générer de l’électricité propre et renouvelable. Ces capteurs paraboliques sont efficaces et largement utilisés dans les régions ensoleillées pour produire de l’énergie à grande échelle.

Centrales à tour

Ces installations de production d’énergie solaire utilisent des miroirs réfléchissants disposés sur le sol pour concentrer la lumière solaire vers un récepteur situé en haut d’une tour centrale. Le fluide caloporteur contenu dans le récepteur est chauffé par la lumière solaire concentrée. Elle produit de la vapeur qui actionne une turbine pour générer de l’électricité propre et renouvelable. Les centrales à tour sont efficaces. Ils sont capables de stocker la chaleur pour continuer à produire de l’électricité en l’absence de soleil, les rendant particulièrement adaptées pour répondre à la demande énergétique.

Avantages des innovations en matière de capteurs solaires thermiques

Les progrès réalisés dans les capteurs solaires thermiques offrent de multiples avantages :

1. Augmentation de l’efficacité énergétique : Les innovations permettent de produire davantage de chaleur à partir de la même surface de capteurs. Ils améliorent ainsi l’efficacité globale du système.
2. Réduction des coûts : Grâce à l’utilisation de matériaux plus performants et de technologies optimisées, les coûts de production et d’installation des panneaux solaires thermiques sont réduits.
3. Intégration esthétique : Les avancées en matière de design permettent une meilleure intégration esthétique des panneaux solaires thermiques dans les bâtiments et les espaces urbains.

Ces récentes innovations dans le domaine des capteurs solaires thermiques ont considérablement amélioré leur efficacité et leur fiabilité, rendant cette technologie plus compétitive.