Capteurs solaires: types, principe de fonctionnement, conception du système
Pompes à chaleur puiser de l'énergie dans le sol, l'eau ou l'air réchauffé par le soleil. Les chaudières utilisent la chaleur dégagée lors de la combustion du combustible, qui est en fin de compte également un produit de la conversion de l'énergie solaire au cours de la longue évolution de la Terre. Les capteurs solaires sont, en un sens, uniques: ils reçoivent l'énergie directement du soleil.
Pour avoir demain l'opportunité de chauffer de l'eau chaude sanitaire gratuitement ou de chauffer votre maison, il vous reste aujourd'hui à dépenser pour l'achat de capteurs solaires. Compte tenu du coût considérable de ces équipements, il est très important de ne pas se tromper de choix. Donc, vous devriez au moins avoir des idées générales sur les spécificités des capteurs solaires et les nuances de leur travail.
Contenu:
Les spécificités de l'utilisation des capteurs solaires
La principale caractéristique des capteurs solaires qui les distingue des autres types de générateurs de chaleur est la nature cyclique de leur travail. Pas de soleil - pas d'énergie thermique. En conséquence, de telles installations sont passives la nuit.
La production quotidienne moyenne de chaleur dépend directement de la durée des heures de clarté. Cette dernière est déterminée, d'une part, par la latitude géographique de la zone, et d'autre part, par la période de l'année. Pendant la période estivale, au cours de laquelle le pic d'insolation tombe dans l'hémisphère nord, le collecteur fonctionnera avec une efficacité maximale. En hiver, sa productivité baisse, atteignant un minimum en décembre-janvier.
En hiver, l'efficacité des capteurs solaires diminue non seulement en raison d'une diminution de la durée des heures de lumière du jour, mais également en raison d'un changement de l'angle d'incidence de la lumière solaire. Les fluctuations des performances du capteur solaire au cours de l'année doivent être prises en compte lors du calcul de sa contribution au système d'alimentation en chaleur.
Un autre facteur qui peut affecter la productivité du capteur solaire est les caractéristiques climatiques de la région. Sur le territoire de notre pays, il existe de nombreux endroits où, pendant plus de 200 jours par an, le soleil est caché derrière une épaisse couche de nuages ou derrière un voile de brouillard. Par temps nuageux, les performances du capteur solaire ne tombent pas à zéro, car il est capable de capter la lumière solaire diffusée, mais est considérablement réduit.
Le principe de fonctionnement et les types de capteurs solaires
Il est temps de dire quelques mots sur l'appareil et le principe de fonctionnement du capteur solaire. L'élément principal de sa conception est un adsorbeur, qui est une plaque de cuivre avec un tuyau soudé. Absorbant la chaleur du soleil qui tombe dessus, la plaque (et avec elle le tuyau) se réchauffe rapidement. Cette chaleur est transférée au liquide de refroidissement qui circule à travers le tuyau, et qui à son tour la transporte à travers le système.
La capacité du corps physique à absorber ou à réfléchir les rayons du soleil dépend, tout d'abord, de la nature de sa surface. Par exemple, une surface miroir reflète parfaitement la lumière et la chaleur, mais le noir, au contraire, l'absorbe. C'est pourquoi un revêtement noir est appliqué sur la plaque de cuivre de l'adsorbeur (l'option la plus simple est la peinture noire).
Le principe de fonctionnement du capteur solaire
1. Collecteur solaire.
2. Réservoir tampon.
3. De l'eau chaude.
4. L'eau froide.
5. Le contrôleur.
6. Échangeur de chaleur.
7. Pompe
8. Flux chaud.
9. Flux froid.
Il est possible d'augmenter la quantité de chaleur reçue du soleil en sélectionnant correctement le verre recouvrant l'adsorbeur. Le verre ordinaire n'est pas assez transparent.De plus, il éblouit, reflétant une partie de la lumière du soleil qui tombe dessus. Dans les capteurs solaires, en règle générale, ils essaient d'utiliser du verre spécial à faible teneur en fer, ce qui augmente sa transparence. Pour réduire la fraction de lumière réfléchie par la surface, un revêtement antireflet est appliqué sur le verre. Et pour que la poussière et l'humidité, qui réduisent également le débit du verre, ne pénètrent pas à l'intérieur du collecteur, le boîtier est scellé, et parfois même rempli d'un gaz inerte.
Malgré toutes ces astuces, l'efficacité des capteurs solaires est encore loin de 100%, en raison de l'imperfection de leur conception. La plaque adsorbante chauffée rayonne une partie de la chaleur reçue dans l'environnement, chauffant l'air en contact avec lui. Afin de minimiser les pertes de chaleur, l'adsorbeur doit être isolé. La recherche d'une méthode efficace d'isolation thermique de l'adsorbeur a conduit les ingénieurs à créer plusieurs variétés de capteurs solaires, les plus courants étant ceux à vide plats et tubulaires.
Capteurs solaires plats
Capteurs solaires plats.
La conception d'un capteur solaire plat est extrêmement simple: il s'agit d'une boîte métallique recouverte de verre par le haut. Pour l'isolation thermique du fond et des parois du corps, en règle générale, de la laine minérale est utilisée. Cette option est loin d'être idéale, car le transfert de chaleur de l'adsorbeur au verre à travers l'air à l'intérieur du conduit n'est pas exclu. Avec une grande différence de température à l'intérieur du collecteur et à l'extérieur, la perte de chaleur est assez importante. En conséquence, un capteur solaire plat, qui fonctionne parfaitement au printemps et en été, devient extrêmement inefficace en hiver.
Dispositif de capteur solaire plat
1. Tuyau d'entrée.
2. Verre de protection.
3. La couche d'absorption.
4. Cadre en aluminium.
5. Tubes en cuivre.
6. Isolant thermique.
7. Tuyau de sortie.
Capteurs solaires à vide tubulaire
Capteurs solaires à vide tubulaire.
Le capteur solaire sous vide est un panneau composé d'un grand nombre de tubes en verre relativement minces. À l'intérieur de chacun d'eux se trouve un adsorbeur. Pour exclure le transfert de chaleur par le gaz (air), les tubes sont évacués. En raison du manque de gaz à proximité des adsorbeurs, les collecteurs sous vide se caractérisent par de faibles pertes de chaleur même par temps de gel.
Dispositif de collecteur sous vide
1. Isolation thermique.
2. Boîtier d'échangeur de chaleur.
3. Échangeur de chaleur (collecteur)
4. Bouchon scellé.
5. Tube à vide.
6. Condensateur.
7. Plaque absorbante.
8. Caloduc avec fluide de travail.
Applications pour capteurs solaires
Le but principal des capteurs solaires, ainsi que de tout autre générateur de chaleur, est de chauffer les bâtiments et de préparer l'eau pour un système d'alimentation en eau chaude. Reste à savoir quel type de capteurs solaires est le mieux adapté pour remplir une fonction particulière.
Les capteurs solaires plats, comme nous l'avons constaté, se caractérisent par de bonnes performances au printemps et en été, mais sont inefficaces en hiver. Il en résulte qu'il n'est pas pratique de les utiliser pour le chauffage, dont le besoin se pose précisément avec l'arrivée du froid. Cela ne signifie cependant pas qu'il n'y a aucune activité commerciale pour cet équipement.
Les capteurs plats ont un avantage incontestable - ils sont nettement moins chers que les modèles à vide, donc dans les cas où il est prévu d'utiliser l'énergie solaire exclusivement en été, il est logique de les acheter. Les capteurs solaires plats font parfaitement face à la tâche de préparer l'eau pour l'eau chaude en été. Encore plus souvent, ils sont utilisés pour chauffer à une température d'eau confortable dans les piscines extérieures.
Les collecteurs tubulaires à vide sont plus polyvalents. Avec l'avènement des rhumes d'hiver, leurs performances diminuent moins que dans le cas des modèles plats, ce qui signifie qu'ils peuvent être utilisés toute l'année.Cela permet d'utiliser de tels capteurs solaires non seulement pour l'alimentation en eau chaude, mais également dans le système de chauffage.
Comparaison des capteurs solaires plats et sous vide.
Emplacement des capteurs solaires
L'efficacité du capteur solaire dépend directement de la quantité de lumière solaire pénétrant dans l'adsorbeur. Il s'ensuit que le collecteur doit être situé dans un espace ouvert, où jamais (ou au moins aussi longtemps que possible) l'ombre des bâtiments voisins, des arbres situés près des montagnes, etc.
Une grande importance est non seulement l'emplacement du collecteur, mais aussi son orientation. Le côté le plus «ensoleillé» de notre hémisphère nord est le côté sud, ce qui signifie que, idéalement, les «miroirs» du collecteur doivent être tournés exactement vers le sud. S'il est techniquement impossible de le faire, vous devez choisir la direction aussi proche que possible du sud - sud-ouest ou sud-est.
Il ne faut pas ignorer un paramètre tel que l'angle d'inclinaison du capteur solaire. L'amplitude de l'angle dépend de l'écart de la position du Soleil par rapport au zénith, qui à son tour est déterminé par la latitude géographique de la zone dans laquelle l'équipement sera utilisé. Si l'angle d'inclinaison n'est pas réglé correctement, la perte d'énergie optique augmentera considérablement, car une partie importante de la lumière solaire sera réfléchie par le verre du collecteur et, par conséquent, n'atteindra pas l'absorbeur.
Comment choisir le bon capteur solaire
Si vous souhaitez que le système de chauffage de votre maison gère la tâche de maintenir une température confortable dans les locaux et de l'eau chaude plutôt que tiède qui coule des robinets, et que vous envisagez en même temps d'utiliser un capteur solaire comme générateur de chaleur, vous devez calculer à l'avance la puissance nécessaire de l'équipement. Dans ce cas, un nombre assez important de paramètres devra être pris en compte, notamment la fonction du collecteur (alimentation en eau chaude, chauffage, ou une combinaison de ceux-ci), la demande de chaleur de l'objet (surface totale des pièces chauffées ou consommation quotidienne moyenne d'eau chaude), les caractéristiques climatiques de la région et les caractéristiques de l'installation du collecteur.
En principe, faire de tels calculs n'est pas si difficile. La performance de chaque modèle est connue, ce qui signifie que vous pouvez facilement estimer le nombre de capteurs nécessaires pour fournir de la chaleur à la maison. Les entreprises qui produisent des capteurs solaires disposent d'informations (et peuvent les fournir au consommateur) sur l'évolution de la puissance des équipements en fonction de la latitude géographique du terrain, de l'angle d'inclinaison des «miroirs», de la déviation de leur orientation par rapport au sud, etc., ce qui permet d'apporter les modifications nécessaires lors du calcul des performances du collecteur.
Lors de la sélection de la puissance de capteur requise, il est très important de parvenir à un équilibre entre la pénurie et l'excès de chaleur généré. Les experts recommandent de se concentrer sur la puissance maximale du capteur possible, c'est-à-dire d'utiliser l'indicateur de la saison d'été la plus productive dans les calculs. Cela contredit le désir de l'utilisateur moyen de prendre un équipement avec une marge (c'est-à-dire de calculer la puissance du mois le plus froid), de sorte que la chaleur du collecteur soit suffisante pendant les journées d'automne et d'hiver moins ensoleillées.
Cependant, si vous suivez le chemin du choix d'un capteur solaire avec une puissance accrue, alors au sommet de ses performances, c'est-à-dire par temps chaud et ensoleillé, vous rencontrerez un problème grave: plus de chaleur sera générée que consommée, ce qui menace la surchauffe du circuit et d'autres conséquences désagréables . Il existe deux options pour résoudre ce problème: soit installer un capteur solaire de faible puissance et connecter en parallèle des sources de chaleur redondantes en parallèle, soit acheter un modèle avec une grande réserve de puissance et fournir des moyens d'évacuer l'excès de chaleur au printemps-été.
Stagnation du système
Parlons un peu plus des problèmes liés à un excès de chaleur générée.Supposons donc que vous ayez installé un capteur solaire suffisamment puissant qui puisse fournir entièrement la chaleur au système de chauffage de votre maison. Mais l'été est venu et le besoin de chauffage a disparu. Si vous pouvez couper l’alimentation d’une chaudière électrique, couper l’alimentation en carburant d’une chaudière à gaz, nous n’avons pas d’alimentation par le soleil - nous ne pouvons pas l’éteindre quand il fait trop chaud.
La stagnation du système est l'un des principaux problèmes potentiels des capteurs solaires. Si une chaleur insuffisante est prélevée sur le circuit du collecteur, le liquide de refroidissement surchauffe. À un certain moment, celui-ci peut bouillir, ce qui entraînera l'arrêt de sa circulation le long du circuit. Lorsque le liquide de refroidissement refroidit et se condense, le système reprend son fonctionnement. Cependant, loin de tous les types de liquides de refroidissement, transférez calmement la transition d'un état liquide à un état gazeux et vice versa. Certains à la suite d'une surchauffe acquièrent une consistance gélatineuse, ce qui rend impossible le fonctionnement ultérieur du circuit.
Seule une évacuation stable de la chaleur produite par le collecteur permettra d'éviter la stagnation. Si le calcul de la puissance de l'équipement est effectué correctement, la probabilité de problèmes est presque nulle.
Cependant, même dans ce cas, la survenance de circonstances de force majeure n'est pas exclue, par conséquent, des moyens de se protéger contre la surchauffe doivent être prévus à l'avance:
1. Installation d'un réservoir de réserve pour l'accumulation d'eau chaude. Si l'eau du réservoir principal du système d'alimentation en eau chaude a atteint le maximum défini et que le capteur solaire continue de fournir de la chaleur, la commutation se produit automatiquement et l'eau commence à chauffer déjà dans le réservoir de réserve. Le stock d'eau chaude créé peut être utilisé pour les besoins domestiques plus tard, par temps nuageux.
2. Eau chauffée dans la piscine. Les propriétaires de maisons avec piscine (peu importe, à l'intérieur ou à l'extérieur) ont une excellente occasion de détourner l'excès de chaleur. Le volume de la piscine est incomparablement supérieur au volume de tout appareil de stockage domestique, ce qui implique que l'eau qui s'y trouve ne chauffe pas tellement qu'elle ne peut plus absorber la chaleur.
3. Videz l'eau chaude. En l'absence de la possibilité de dépenser un excès de chaleur, vous pouvez simplement vider utilement l'eau chauffée du réservoir de stockage d'eau chaude dans de petits égouts en petites portions. L'eau froide entrant dans le réservoir abaissera la température de tout le volume, ce qui continuera à éliminer la chaleur du circuit.
4. Échangeur de chaleur externe avec ventilateur. Si le capteur solaire a une capacité élevée, l'excès de chaleur peut également être très important. Dans ce cas, le système est équipé d'un circuit supplémentaire rempli de réfrigérant. Ce circuit supplémentaire est relié au système au moyen d'un échangeur de chaleur équipé d'un ventilateur et monté à l'extérieur du bâtiment. En cas de risque de surchauffe, un excès de chaleur pénètre dans le circuit supplémentaire et est "libéré" dans l'air par l'échangeur de chaleur.
5. Le rejet de chaleur dans le sol. Si, en plus du capteur solaire de la maison, il y a une pompe à chaleur au sol, un excès de chaleur peut être envoyé au puits. Dans ce cas, vous résolvez deux problèmes à la fois: d'une part, vous protégez le circuit collecteur de la surchauffe, et d'autre part, vous restaurez la réserve de chaleur dans le sol épuisé pendant l'hiver.
6. Isolement du capteur solaire de la lumière directe du soleil. Cette méthode est techniquement l'une des plus simples. Bien sûr, grimper sur le toit et rideau manuel du collecteur ne vaut pas la peine - c'est difficile et dangereux. Il est beaucoup plus rationnel d'installer un écran télécommandé, comme un volet roulant. Vous pouvez même connecter l'unité de contrôle de dépistage au contrôleur - si la température dans le circuit augmente dangereusement, le collecteur se fermera automatiquement.
7. Vidange du liquide de refroidissement. Cette méthode peut être considérée comme cardinale, mais en même temps, elle est assez simple. En cas de risque de surchauffe, le liquide de refroidissement est évacué par une pompe dans un réservoir spécial intégré au circuit du système.Lorsque les conditions redeviennent favorables, la pompe renvoie le liquide de refroidissement dans le circuit et le collecteur est rétabli.
Autres composants du système
Il ne suffit pas de collecter simplement la chaleur rayonnée par le soleil. Il faut encore le transporter, l'accumuler, le transférer aux consommateurs, il faut contrôler tous ces processus, etc. Cela signifie qu'en plus des collecteurs situés sur le toit, le système contient de nombreux autres composants, qui peuvent être moins perceptibles, mais non moins importants. Concentrons-nous uniquement sur certains d'entre eux.
Liquide de refroidissement
La fonction du liquide de refroidissement dans le circuit du collecteur peut être remplie soit par de l'eau, soit par un fluide antigel.
L'eau présente un certain nombre d'inconvénients qui imposent certaines restrictions à son utilisation comme liquide de refroidissement dans les capteurs solaires:
- Tout d'abord, à des températures glaciales, il gèle. Pour que le liquide de refroidissement gelé ne casse pas les tuyaux du circuit, il devra être vidangé à l'approche du froid, ce qui signifie qu'en hiver, vous ne recevrez même pas de petites quantités d'énergie thermique du collecteur.
- Deuxièmement, un point d'ébullition pas trop élevé peut provoquer une stagnation fréquente en été.
Le liquide qui ne gèle pas, contrairement à l'eau, a un point de congélation nettement plus bas et un point d'ébullition incomparablement plus élevé, ce qui augmente la commodité de l'utiliser comme liquide de refroidissement. Cependant, à des températures élevées, le «non-gel» peut subir des changements irréversibles, il doit donc être protégé contre une surchauffe excessive.
Pompe adaptée pour les systèmes solaires
Pour assurer une circulation forcée du liquide de refroidissement le long du circuit du collecteur, une pompe adaptée aux systèmes solaires est nécessaire.
Échangeur de chaleur ECS
Le transfert de chaleur du circuit du capteur solaire à l'eau utilisée dans l'alimentation en eau chaude ou au fluide caloporteur du système de chauffage est effectué au moyen d'un échangeur de chaleur. En règle générale, pour l'accumulation d'eau chaude, un réservoir de grand volume avec un échangeur de chaleur déjà intégré est utilisé. Il est rationnel d'utiliser des réservoirs avec deux échangeurs de chaleur ou plus: cela vous permettra de prendre la chaleur non seulement du capteur solaire, mais aussi d'autres sources (chaudière à gaz ou électrique, pompe à chaleur, etc.).
Automatisation
Un système aussi complexe ne peut se passer de l'automatisation, qui contrôle et contrôle le processus. Le contrôleur vous permet d'automatiser le travail du collecteur: il analyse la température dans le circuit et le réservoir de stockage, contrôle la pompe et les vannes responsables du mouvement du liquide de refroidissement le long du circuit. Si le liquide de refroidissement dans le circuit surchauffe et l'eau dans le réservoir surchauffe, le contrôleur donnera une commande pour libérer la chaleur vers un autre dissipateur de chaleur - un réservoir d'eau supplémentaire ou un échangeur de chaleur à air extérieur.
Si à la fin des heures de clarté, la température de l'eau dans le réservoir de stockage dépasse la température du liquide de refroidissement dans le circuit du collecteur, l'automatisation arrêtera la circulation du liquide de refroidissement le long du circuit afin que la chaleur accumulée ne soit pas libérée dans l'atmosphère par le collecteur lui-même. Les contrôleurs modernes permettent de surveiller à distance le fonctionnement du système et, si nécessaire, d'effectuer des réglages.
Aujourd'hui, il ne sera pas difficile de trouver un capteur solaire et l'un des composants nécessaires à son fonctionnement sur le marché. Il est tout à fait possible d'assembler un système à partir d'éléments achetés séparément. Cependant, les fabricants proposent des kits prêts à l'emploi, qui comprennent un collecteur, des pompes, des réservoirs de stockage, une automatisation de la commande, etc. L'achat d'un tel kit n'est pas seulement un gain de temps, mais aussi une garantie des performances du système.
