Technologies des capteurs solaires

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L'énergie solaire est la principale source de lumière et de chaleur de la Terre. Il peut fournir une énergie éternelle pour maintenir la température de l'atmosphère et faire germer les plantes. Avec les développements technologiques, l'énergie solaire peut être utilisée de plus en plus efficacement et économiquement.

Cellule solaire de troisième génération

Dans un système de chauffage et de refroidissement solaire, l'énergie solaire a le potentiel de répondre à une grande partie des besoins de chauffage et de refroidissement des bâtiments et de l'industrie. Il existe également de nombreuses technologies pour différentes températures de source de chaleur et des exigences spécifiques. Pour assurer une utilisation solaire stable et à long terme, le stockage de la chaleur est également essentiel. Dans cet article, un aperçu des technologies de chauffage et de refroidissement solaires sera donné.

Énergie solaire

L'énergie solaire est la source d'énergie des systèmes de chauffage et de refroidissement solaires. Il existe principalement deux façons modernes de collecter l'énergie solaire. L'une consiste à adopter directement l'énergie thermique produite par le rayonnement solaire avec l'utilisation d'un capteur solaire. La chaleur solaire acquise pourrait ensuite être transférée à des applications de chauffage ou de refroidissement solaires ; ce type de système est également appelé un système solaire thermique. L'autre consiste à transférer le rayonnement solaire en énergie électrique par le biais d'un matériau photovoltaïque (PV) ; ce type de système est également appelé système solaire photovoltaïque.

Lorsque l'énergie solaire est intégrée aux systèmes de chauffage et de refroidissement, il existe beaucoup plus d'options pour les systèmes thermiques que pour les systèmes électriques. Dans ce cas, les capteurs solaires thermiques sont mis en valeur et les systèmes thermiques ont fait l'objet de recherches et de développements approfondis. En raison de la réduction significative des prix du solaire photovoltaïque au cours des dernières années, les systèmes solaires photovoltaïques deviennent également attractifs.

Il existe différentes classifications du capteur solaire. Il peut être classé en non concentré types et se concentrer les types. Il peut également être classé en capteurs basse température, capteurs moyenne température et capteurs haute température en fonction de la température de travail. Les capteurs basse, moyenne et haute température fonctionnent respectivement en dessous de 100°C, 100–200°C et au-dessus de 200°C.

Dans cet article, les capteurs solaires sont classés en sans suivi capteurs solaires et suivi capteurs solaires. Une brève introduction à la technologie solaire PV est également donnée.

Capteurs solaires sans suivi

Ce type de capteur solaire comprend principalement le capteur à plaque plate (FPC), le capteur à tube sous vide (ETC) et le concentrateur parabolique composé (CPC). Ils fonctionnent généralement comme des capteurs à basse et moyenne température adaptés au chauffage et au refroidissement des locaux. L'eau, l'air ou l'huile peuvent être utilisés comme fluide caloporteur.

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Solar Heat Transfer Topics

Collecteur plat

Collecteurs plats
Collecteurs plats

FPC: Les FPC contiennent généralement le vitrage, la plaque absorbante, le composant de transfert de chaleur et la couche isolante. Les FPC sont généralement utilisés pour le chauffage des locaux ou l'approvisionnement en eau chaude. Il a une température de fonctionnement basse, mais il est simple, économique et a une longue durée de vie. Il s'intègre également facilement dans les bâtiments.

Collecteur à tube sous vide

capteurs solaires à tubes sous vide
capteurs solaires à tubes sous vide

ETC: Lorsque le climat n'est pas si chaud ou que la température de travail est élevée, le FPC ne peut pas fonctionner efficacement en raison des pertes de chaleur, et les ETC peuvent être utilisés. Dans l'ETC, la surface de l'absorbeur à revêtement sélectif (absorptivité 95%, émissivité <5%) est placée dans un tube double couche avec vide entre deux couches. Le vide entourant l'absorbeur peut réduire considérablement les pertes de chaleur par convection et conduction. Dans ce cas, l'efficacité peut être augmentée.

Concentrateur parabolique composé

Le concentrateur parabolique composé
Concentrateur parabolique composé

CPC: Pour augmenter l'efficacité du capteur solaire, des capteurs à concentration tels que les CPC peuvent être utilisés. Le CPC est un concentrateur sans imagerie avec un faible rapport de concentration. Le CPC utilise une surface réfléchissante parabolique composée pour réfléchir et concentrer le rayonnement solaire sur la ligne focale. Un absorbeur tubulaire est utilisé comme récepteur. Dans certains collecteurs CPC nouvellement développés, une surface parabolique composée et un récepteur sont intégrés dans le tube sous vide pour éviter les pertes de chaleur et augmenter l'efficacité.

Suivi des capteurs solaires

Ce type de capteur solaire comprend principalement les capteurs de suivi à un axe et les capteurs de suivi à deux axes. Les collecteurs de suivi à axe unique comprennent les collecteurs linéaires paraboliques (PTC), les réflecteurs linéaires de Fresnel (LFR) et les collecteurs cylindriques (CTC). Ils ont un effet de concentration bidimensionnel. Les collecteurs de suivi à deux axes comprennent le collecteur parabolique et le collecteur de la tour solaire (champ héliostatique). Ils ont un effet de concentration tridimensionnel. Les collecteurs suiveurs fonctionnent généralement comme des collecteurs à moyenne et haute température. L'eau, l'huile ou le sel fondu peuvent être utilisés comme fluide de travail.

Collecteur parabolique
Collecteur parabolique

Collecteurs Paraboliques

PTC: Le PTC utilise un réflecteur parabolique pour concentrer le rayonnement solaire. Le récepteur tubulaire intégré dans le tube sous vide est placé le long de la ligne focale du réflecteur. Le collecteur doit suivre le Soleil le long d'un seul axe pour maximiser son efficacité. Un rapport de concentration supérieur à celui du CPC peut être obtenu. Les PTC peuvent efficacement produire de la chaleur à des températures comprises entre 50°C et 400°C. Il peut être utilisé pour la production d'énergie solaire thermique, l'énergie solaire thermique à des fins industrielles et comme source de chaleur pour un refroidissement solaire efficace.

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Characteristics Of Solar Radiation

Réflecteurs de Fresnel linéaires

LFR: Le LFR utilise plusieurs réseaux de miroirs plats pour réfléchir et concentrer ensemble le rayonnement solaire. Comparé aux PTC, le LFR est moins cher et prend moins de place. Les réseaux de miroirs sont généralement placés au sol. Cela rend l'installation plus facile que les PTC, en particulier dans un grand système. Cependant, des problèmes d'ombrage et de blocage peuvent éventuellement réduire son efficacité. La technologie LFR compacte peut améliorer cela maintenant qu'elle est bien acceptée pour le chauffage industriel et le refroidissement solaire.

Plat parabolique

Plat parabolique: La parabole utilise la parabole réfléchissante pour concentrer le rayonnement solaire en un point. Dans ce cas, le rapport de concentration d'une parabole est supérieur au PTC et au LFR. Une efficacité plus élevée ou une température de travail plus élevée peuvent être obtenues. L'absorbeur d'un collecteur parabolique est placé au point focal. Comme la concentration tridimensionnelle est adoptée, un suivi à deux axes est nécessaire. Des plats paraboliques ont été utilisés avec des moteurs Stirling pour produire de l'électricité.

Tour solaire

Tour solaire: La tour solaire utilise les héliostats pour concentrer le rayonnement solaire vers le récepteur sur une tour. Les héliostats sont des miroirs de suivi répartis autour de la tour. Dans ce cas, la tour solaire est également appelée champ héliostatique ou collecteur récepteur central. Étant donné que les héliostats sont des composants individuels installés au sol, la zone réfléchissante totale et le taux de concentration peuvent être importants, ce qui augmente la puissance du système et l'efficacité de travail. Les systèmes de tours solaires ont été considérés comme un système efficace pour générer de l'électricité à partir de l'énergie solaire thermique. Les types de concentration, les modes de suivi, les températures de fonctionnement et les rendements des capteurs mentionnés sont indiqués dans le tableau 1.1. Les rendements des capteurs solaires thermiques sont étroitement liés à la température de fonctionnement et à la température ambiante. Dans ce cas, les rendements ne sont pas inclus.

Capteurs solaires thermiques

Collectionneur
Mouvement
Type d'absorbeur
Rapport de concentration
Température indicative (°C)
Assiette plate
Stationnaire
Appartement
1
30–80
Tube sous vide
Stationnaire
Appartement
1
50–200
CPC
Stationnaire
Tubulaire
1–5
60–240
CTP
Suivi sur un seul axe
Tubulaire
15–45
60–300
LFR
Suivi sur un seul axe
Tubulaire
10–40
60–250
Plat parabolique
Suivi à deux axes
Indiquer
100–1000
100–500
Tour solaire
Suivi à deux axes
Indiquer
100–1500
150–2000
  • CPC, concentrateur parabolique composé ;
  • PTC, collecteur cylindro-parabolique ;
  • LFR, réflecteur de Fresnel linéaire.

Solaire photovoltaïque

Lorsque l'énergie solaire photovoltaïque est utilisée pour un système de chauffage et de refroidissement, un système de compression de vapeur conventionnel peut être adopté. Dans un système solaire PV, le rayonnement solaire peut être converti en électricité à courant continu grâce à l'effet PV des matériaux semi-conducteurs. Les cellules solaires pourraient être classées comme cellules de silicium, cellules à couche mince, cellules solaires émergentes, et cellules solaires multijonctions, parmi lesquelles des cellules solaires au silicium et à film sont disponibles sur le marché.

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Collecteurs à plaques plates

Cellules de silicium

Construction de cellules solaires photovoltaïques
Construction de cellules solaires photovoltaïques

Cellules de silicium: Le matériau à base de silicium est le matériau PV le plus mûrement développé et commercialisé. On l'appelle aussi technologie de « première génération ». Les matériaux à base de silicium représentent la plus grande part de marché des produits photovoltaïques. Le silicium multicristallin et le silicium monocristallin sont les matériaux les plus couramment utilisés sur le marché.

Cellules à couches minces

Structure des cellules solaires à couches minces
Structure des cellules solaires à couches minces

Cellules à couches minces: Une cellule à couche mince est fabriquée en déposant une ou plusieurs couches minces de matériau PV à couche mince sur un substrat. Son épaisseur varie du nanomètre à la dizaine de micromètres, ce qui facilite l'intégration au bâtiment. On l'appelle aussi technologie de « deuxième génération ». Les cellules solaires à couche mince commercialisées utilisent généralement du tellurure de cadmium, du séléniure de cuivre, d'indium et de gallium et du silicium à couche mince amorphe (a-Si). En 2014, les cellules à couches minces représentaient environ 9 % du déploiement mondial, tandis que le reste comprenait des cellules en silicium cristallin.

Cellules solaires émergentes

Cellule solaire de troisième génération

Cellules solaires émergentes: Les cellules solaires émergentes peuvent également être appelées cellules solaires de « troisième génération ». Ces cellules solaires ont le potentiel de dépasser la limite de Shockley-Queisser pour les cellules solaires à bande interdite unique. Ils comprennent les cellules sensibilisées aux colorants et les cellules organiques. D'autres technologies disponibles incluent la cellule de sulfure d'étain de zinc de cuivre, la cellule de pérovskite, la cellule de polymère et la cellule de point quantique.

Cellules multijonctions

Solaire multijonction
Cellule solaire multijonction

Cellules multijonctions: Les cellules traditionnelles n'ont qu'une seule jonction p – n et il existe une limite d'efficacité théorique. Les cellules solaires multijonctions ont plusieurs jonctions p – n constituées de différents matériaux semi-conducteurs. Une efficacité théorique jusqu'à 86,8% peut être atteinte par des jonctions p – n infinies. Les cellules multijonctions varient en fonction du nombre de jonctions et du matériau. Il s'agit notamment de la cellule InGaP/GaAs/InGaAs, de l'alliage silicium amorphe/hydrogène (a-Si)/silicium nanocristallin ou microcristallin (nc-Si)/nc-Si, de la cellule couche mince a-Si/nc-Si, et bientôt.

Plus d'information

  • [1] Kalogirou SA Capteurs solaires thermiques et applications. Prog Energy Combust Sci. 2004;30(3):231–295.
  • [2] Rapport Fraunhofer ISE Photovoltaics. 2015.
  • [3] Shockley W, Queisser HJ Limite d'équilibre détaillée de l'efficacité des cellules solaires à jonction pn. J Appl Phys. 1961;32(3):510–519.
  • [4] Dimroth F, Kurtz S. Cellules solaires multijonctions à haut rendement. Mme Taureau. 2007;32(03):230–235.

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