Le FPC (Flat-Plate Collectors) est le cœur de tout système de captage d'énergie solaire conçu pour fonctionner dans la plage de basse température (moins de 60°C) ou dans la plage de température moyenne (moins de 100°C).
Aperçu
Il est utilisé pour absorber l'énergie solaire, la convertir en chaleur, puis transférer cette chaleur vers un flux de liquide ou de gaz. Ils utilisent à la fois les rayonnements solaires directs et diffus, ne nécessitent pas de suivi du Soleil et nécessitent peu d'entretien. Ils sont mécaniquement plus simples que les collecteurs à concentration. Les principales applications de ces unités sont le chauffage solaire de l'eau, le chauffage des bâtiments, la climatisation et la chaleur des procédés industriels. Un FPC se compose généralement des composants suivants :
Composants
- Le vitrage est constitué d'une ou plusieurs feuilles de verre ou d'un autre matériau transmettant le rayonnement.
- Tubes, ailettes ou passages pour conduire ou diriger le FTC de l'entrée vers la sortie.
- Les plaques absorbantes sont des plaques plates, ondulées ou rainurées, auxquelles les tubes, les ailettes ou les passages sont fixés. La plaque peut être solidaire des tubes.
- En-têtes ou collecteurs pour admettre et décharger le HTF.
- Isolation pour minimiser les pertes de chaleur à l'arrière et sur les côtés du capteur.
- Conteneur ou boîtier pour entourer les autres composants et les protéger de la poussière ou de l'humidité. Les FPC ont été construits dans une grande variété de conceptions à partir de nombreux matériaux différents (Fig. ci-dessous). Leur objectif principal est de collecter autant d'énergie solaire que possible au coût total le plus bas possible.
Le collecteur doit également avoir une longue durée de vie effective, malgré : les effets néfastes du rayonnement ultraviolet du Soleil ; la corrosion ou le colmatage en raison de l'acidité, de l'alcalinité ou de la dureté du HTF ; gel ou liaison à l'air dans le cas de l'eau, ou dépôt de poussière ou d'humidité dans le cas de l'air.
Les types
Le verre a été largement utilisé pour émailler les FPC car il peut transmettre jusqu'à 90 % du rayonnement solaire à ondes courtes entrant tout en transmettant très peu du rayonnement à ondes longues émis vers l'extérieur depuis la plaque absorbante. Le verre à faible teneur en fer a une transmittance relativement élevée pour le rayonnement solaire (0,85 à 0,90 à une incidence normale).
Les films et feuilles de plastique ont également une transmission élevée en ondes courtes, mais comme la plupart des variétés utilisables ont également des bandes de transmission au milieu du spectre de rayonnement thermique, leur transmission en ondes longues peut atteindre 0,40.
Le verre généralement utilisé dans les capteurs solaires peut être à simple résistance (2,2 à 2,5 mm) ou à double résistance (2,92 à 3,38 mm). Pour le rayonnement direct, la transmittance varie sensiblement avec l'angle d'incidence θ, comme indiqué dans le tableau ci-dessous.
Angle incident de transmission et d'absorption
Variation avec l'angle d'incidence de la transmission et de l'absorption
| Angle d'incidence θ (°) | Transmittance τ | Absorption α (pour la peinture noire mate) | |
| Vitrage simple | Double vitrage | ||
| 0.87 | 0.77 | 0.96 | |
| 10 | 0.87 | 0.77 | 0.96 |
| 20 | 0.87 | 0.77 | 0.96 |
| 30 | 0.87 | 0.76 | 0.95 |
| 40 | 0.86 | 0.75 | 0.94 |
| 50 | 0.84 | 0.73 | 0.92 |
| 60 | 0.79 | 0.67 | 0.88 |
| 70 | 0.68 | 0.53 | 0.82 |
| 80 | 0.42 | 0.25 | 0.67 |
| 90 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
Le revêtement antireflet et la texture de la surface peuvent améliorer considérablement la transmission. La plaque absorbante absorbe le maximum de rayonnement à travers le vitrage, tout en perdant le moins de chaleur possible vers l'atmosphère et vers le bas par le fond du caisson.
La plaque absorbante transfère la chaleur retenue au fluide de transport. L'absorbance de la surface du collecteur pour le rayonnement solaire à ondes courtes dépend de la nature et de la couleur du revêtement et de l'angle d'incidence, comme indiqué dans le tableau pour une peinture noire mate typique.
Par des traitements électrolytiques ou chimiques appropriés, des surfaces sélectives peuvent être produites avec des valeurs élevées d'absorption du rayonnement solaire α et de faibles valeurs d'émittance ε à ondes longues. Les surfaces sélectives sont particulièrement importantes lorsque la température de surface du capteur est très supérieure à la température de l'air ambiant.
Les matériaux les plus fréquemment utilisés pour les plaques absorbantes sont le cuivre, l'aluminium et l'acier inoxydable. Les extrusions de plastique résistant aux UV sont utilisées pour les applications à basse température. Les problèmes de corrosion potentiels doivent être pris en compte pour tous les métaux.
Les matériaux les plus utilisés pour l'isolation sont la laine minérale, la laine de verre et la mousse de verre. La mousse de polyuréthane est utilisée pour les applications à basse température et le styropor est très rarement utilisé. Les principales propriétés des matériaux d'isolation sont résumées dans le tableau ci-dessous.
Matériaux d'isolation
Propriétés principales des matériaux d'isolation
Non. | Matériaux | Température acceptée (°C) | Densité (kg/m3) | Conductivité thermique (W/(m K)) |
1 | Laine minérale | >200 | 60–200 | 0.040 |
2 | Laine de verre | >200 | 30–100 | 0.040 |
3 | Verre mousse | >200 | 130–150 | 0.048 |
4 | Mousse de polyurethane | <130 | 30–80 | 0.030 |
5 | Styropor | <80 | 30–50 | 0.034 |
Le FPC est généralement fixé en permanence et ne nécessite aucun suivi du Soleil. Les collecteurs doivent être orientés directement vers l'équateur, face au sud dans l'hémisphère nord et au nord dans l'hémisphère sud. L'angle d'inclinaison optimal du capteur est égal à la latitude du lieu avec des variations d'angle de 10 à 15°C, plus ou moins selon l'application.
Collecteur d'air solaire
Les capteurs solaires à air ont des principes de fonctionnement similaires aux FPC (Fig. ci-dessous).
La différence est qu'au lieu de fluide liquide, un ventilateur électrique pompe l'air à travers le collecteur. Les principaux composants sont : la plaque absorbante (1), le couvercle en verre (2), l'isolation (3), le boîtier (4) et le ventilateur d'extraction (5).
Ce type de capteur n'est pas très courant en Europe (couvre seulement 1 à 2 % du marché des capteurs solaires à liquide). Cela peut s'expliquer par le manque d'expérience et le manque de connaissances des utilisateurs finaux, et d'autre part, ce type de collecteur ne peut pas être utilisé directement pour la production d'ECS, qui domine le marché aujourd'hui.
Bilan énergétique
La figure ci-dessous illustre le bilan énergétique d'un FPC standard. Du rayonnement solaire total IT incident sur la couverture de verre, une partie (τ · IT) déterminée de la transmittance τ atteint la plaque absorbante où elle est transformée en chaleur.
La couverture de verre réfléchit dans l'espace le rayonnement (ρ · IJ) et absorbe le rayonnement (α · IJ), où ρ et α sont respectivement la réflectance et l'absorbance de la couverture de verre. Une partie du rayonnement (τ · IJ) incident sur la plaque absorbante est réfléchi et la majeure partie de ce rayonnement est transformée en chaleur. La somme des coefficients τ, ρ et α est
